昇思25天学习打卡营第8天|ResNet50迁移学习

news2024/11/24 11:23:13

一、迁移学习定义

迁移学习(Transfer Learning):在一个任务上训练得到的模型包含的知识可以部分或全部地转移到另一个任务上。允许模型将从一个任务中学到的知识应用到另一个相关的任务中。适用于数据稀缺的情况,可减少对大量标记数据的需求。

迁移学习是一种机器学习方法,具体是指将已经在某一领域(或任务)学习到的知识或模型,应用到另一个不同但相关的领域(或任务)中,以提高在该新任务上的学习效率和效果。这种知识或模型的迁移可以包括网络参数、特征表示、数据间的关系等多种形式的知识。

迁移学习通常可以分为以下几种类型:

  1. 基于模型的迁移学习:直接使用源任务的预训练模型作为目标任务的起点,进行微调或重新训练。
  2. 基于特征的迁移学习:从源任务中提取特征表示,然后在这些特征上训练目标任务的模型。
  3. 基于关系的迁移学习:从源任务中学习数据间的关系,然后将这种关系应用到目标任务中。

二、迁移学习实现流程

迁移学习的实现流程通常包括以下几个步骤:

  1. 选择源任务:选择一个具有丰富数据的相关预测建模问题作为源任务。
  2. 开发源模型:为源任务开发一个精巧的模型,并确保其性能优于普通模型。
  3. 重用模型:将源任务的模型作为目标任务的学习起点(固定特征进行训练),这可能涉及全部或部分使用源模型。
  4. 调整模型:在目标数据集上对模型进行微调,以使其适应目标任务。

三、Resnet50迁移学习实践:狗、狼分类

3.1下载数据集

狼狗数据集提取自ImageNet分类数据集

from download import download

dataset_url = "https://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/datasets/intermediate/Canidae_data.zip"

download(dataset_url, "./datasets-Canidae", kind="zip", replace=True)

输出数据集目录结构:
在这里插入图片描述
使用mindspore.dataset.ImageFolderDataset接口来加载数据集,并进行相关图像增强操作

import mindspore as ms
import mindspore.dataset as ds
import mindspore.dataset.vision as vision

# 数据集目录路径
data_path_train = "./datasets-Canidae/data/Canidae/train/"
data_path_val = "./datasets-Canidae/data/Canidae/val/"

# 创建训练数据集

def create_dataset_canidae(dataset_path, usage):
    """数据加载"""
    data_set = ds.ImageFolderDataset(dataset_path,
                                     num_parallel_workers=workers,
                                     shuffle=True,)

    # 数据增强操作
    mean = [0.485 * 255, 0.456 * 255, 0.406 * 255]
    std = [0.229 * 255, 0.224 * 255, 0.225 * 255]
    scale = 32

    if usage == "train":
        # Define map operations for training dataset
        trans = [
            vision.RandomCropDecodeResize(size=image_size, scale=(0.08, 1.0), ratio=(0.75, 1.333)),
            vision.RandomHorizontalFlip(prob=0.5),
            vision.Normalize(mean=mean, std=std),
            vision.HWC2CHW()
        ]
    else:
        # Define map operations for inference dataset
        trans = [
            vision.Decode(),
            vision.Resize(image_size + scale),
            vision.CenterCrop(image_size),
            vision.Normalize(mean=mean, std=std),
            vision.HWC2CHW()
        ]


    # 数据映射操作
    data_set = data_set.map(
        operations=trans,
        input_columns='image',
        num_parallel_workers=workers)


    # 批量操作
    data_set = data_set.batch(batch_size)

    return data_set


dataset_train = create_dataset_canidae(data_path_train, "train")
step_size_train = dataset_train.get_dataset_size()

dataset_val = create_dataset_canidae(data_path_val, "val")
step_size_val = dataset_val.get_dataset_size()

# 数据集可视化
data = next(dataset_train.create_dict_iterator())
images = data["image"]
labels = data["label"]

print("Tensor of image", images.shape)
print("Labels:", labels)

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
# class_name对应label,按文件夹字符串从小到大的顺序标记label
class_name = {0: "dogs", 1: "wolves"}

plt.figure(figsize=(5, 5))
for i in range(4):
    # 获取图像及其对应的label
    data_image = images[i].asnumpy()
    data_label = labels[i]
    # 处理图像供展示使用
    data_image = np.transpose(data_image, (1, 2, 0))
    mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
    std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    data_image = std * data_image + mean
    data_image = np.clip(data_image, 0, 1)
    # 显示图像
    plt.subplot(2, 2, i+1)
    plt.imshow(data_image)
    plt.title(class_name[int(labels[i].asnumpy())])
    plt.axis("off")

plt.show()

在这里插入图片描述

3.2 构建神经网络模型

使用ResNet50模型进行训练。搭建好模型框架后,通过将pretrained参数设置为True来下载ResNet50的预训练模型并将权重参数加载到网络中。
下载ResNet50的预训练模型

1.构建模型

from typing import Type, Union, List, Optional
from mindspore import nn, train
from mindspore.common.initializer import Normal


weight_init = Normal(mean=0, sigma=0.02)
gamma_init = Normal(mean=1, sigma=0.02)


class ResidualBlockBase(nn.Cell):
    expansion: int = 1  # 最后一个卷积核数量与第一个卷积核数量相等

    def __init__(self, in_channel: int, out_channel: int,
                 stride: int = 1, norm: Optional[nn.Cell] = None,
                 down_sample: Optional[nn.Cell] = None) -> None:
        super(ResidualBlockBase, self).__init__()
        if not norm:
            self.norm = nn.BatchNorm2d(out_channel)
        else:
            self.norm = norm

        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channel, out_channel,
                               kernel_size=3, stride=stride,
                               weight_init=weight_init)
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_channel, out_channel,
                               kernel_size=3, weight_init=weight_init)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.down_sample = down_sample

    def construct(self, x):
        """ResidualBlockBase construct."""
        identity = x  # shortcuts分支

        out = self.conv1(x)  # 主分支第一层:3*3卷积层
        out = self.norm(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv2(out)  # 主分支第二层:3*3卷积层
        out = self.norm(out)

        if self.down_sample is not None:
            identity = self.down_sample(x)
        out += identity  # 输出为主分支与shortcuts之和
        out = self.relu(out)

        return out

残差模块:

class ResidualBlock(nn.Cell):
    expansion = 4  # 最后一个卷积核的数量是第一个卷积核数量的4倍

    def __init__(self, in_channel: int, out_channel: int,
                 stride: int = 1, down_sample: Optional[nn.Cell] = None) -> None:
        super(ResidualBlock, self).__init__()

        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channel, out_channel,
                               kernel_size=1, weight_init=weight_init)
        self.norm1 = nn.BatchNorm2d(out_channel)
        self.conv2 = nn.Conv2d(out_channel, out_channel,
                               kernel_size=3, stride=stride,
                               weight_init=weight_init)
        self.norm2 = nn.BatchNorm2d(out_channel)
        self.conv3 = nn.Conv2d(out_channel, out_channel * self.expansion,
                               kernel_size=1, weight_init=weight_init)
        self.norm3 = nn.BatchNorm2d(out_channel * self.expansion)

        self.relu = nn.ReLU()
        self.down_sample = down_sample

    def construct(self, x):

        identity = x  # shortscuts分支

        out = self.conv1(x)  # 主分支第一层:1*1卷积层
        out = self.norm1(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv2(out)  # 主分支第二层:3*3卷积层
        out = self.norm2(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv3(out)  # 主分支第三层:1*1卷积层
        out = self.norm3(out)

        if self.down_sample is not None:
            identity = self.down_sample(x)

        out += identity  # 输出为主分支与shortcuts之和
        out = self.relu(out)

        return out

网络层

def make_layer(last_out_channel, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
               channel: int, block_nums: int, stride: int = 1):
    down_sample = None  # shortcuts分支


    if stride != 1 or last_out_channel != channel * block.expansion:

        down_sample = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(last_out_channel, channel * block.expansion,
                      kernel_size=1, stride=stride, weight_init=weight_init),
            nn.BatchNorm2d(channel * block.expansion, gamma_init=gamma_init)
        ])

    layers = []
    layers.append(block(last_out_channel, channel, stride=stride, down_sample=down_sample))

    in_channel = channel * block.expansion
    # 堆叠残差网络
    for _ in range(1, block_nums):

        layers.append(block(in_channel, channel))

    return nn.SequentialCell(layers)

组合

from mindspore import load_checkpoint, load_param_into_net


class ResNet(nn.Cell):
    def __init__(self, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
                 layer_nums: List[int], num_classes: int, input_channel: int) -> None:
        super(ResNet, self).__init__()

        self.relu = nn.ReLU()
        # 第一个卷积层,输入channel为3(彩色图像),输出channel为64
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, weight_init=weight_init)
        self.norm = nn.BatchNorm2d(64)
        # 最大池化层,缩小图片的尺寸
        self.max_pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, pad_mode='same')
        # 各个残差网络结构块定义,
        self.layer1 = make_layer(64, block, 64, layer_nums[0])
        self.layer2 = make_layer(64 * block.expansion, block, 128, layer_nums[1], stride=2)
        self.layer3 = make_layer(128 * block.expansion, block, 256, layer_nums[2], stride=2)
        self.layer4 = make_layer(256 * block.expansion, block, 512, layer_nums[3], stride=2)
        # 平均池化层
        self.avg_pool = nn.AvgPool2d()
        # flattern层
        self.flatten = nn.Flatten()
        # 全连接层
        self.fc = nn.Dense(in_channels=input_channel, out_channels=num_classes)

    def construct(self, x):

        x = self.conv1(x)
        x = self.norm(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.max_pool(x)

        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)

        x = self.avg_pool(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.fc(x)

        return x


def _resnet(model_url: str, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
            layers: List[int], num_classes: int, pretrained: bool, pretrianed_ckpt: str,
            input_channel: int):
    model = ResNet(block, layers, num_classes, input_channel)

    if pretrained:
        # 加载预训练模型
        download(url=model_url, path=pretrianed_ckpt, replace=True)
        param_dict = load_checkpoint(pretrianed_ckpt)
        load_param_into_net(model, param_dict)

    return model


def resnet50(num_classes: int = 1000, pretrained: bool = False):
    "ResNet50模型"
    resnet50_url = "https://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/models/application/resnet50_224_new.ckpt"
    resnet50_ckpt = "./LoadPretrainedModel/resnet50_224_new.ckpt"
    return _resnet(resnet50_url, ResidualBlock, [3, 4, 6, 3], num_classes,
                   pretrained, resnet50_ckpt, 2048)

3.3 固定特征进行训练

使用固定特征进行训练的时候,需要冻结除最后一层之外的所有网络层。通过设置requires_grad == False冻结参数,以便不在反向传播中计算梯度。

import mindspore as ms
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import time

net_work = resnet50(pretrained=True)

# 全连接层输入层的大小
in_channels = net_work.fc.in_channels
# 输出通道数大小为狼狗分类数2
head = nn.Dense(in_channels, 2)
# 重置全连接层
net_work.fc = head

# 平均池化层kernel size为7
avg_pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=7)
# 重置平均池化层
net_work.avg_pool = avg_pool

# 冻结除最后一层外的所有参数
for param in net_work.get_parameters():
    if param.name not in ["fc.weight", "fc.bias"]:
        param.requires_grad = False

# 定义优化器和损失函数
opt = nn.Momentum(params=net_work.trainable_params(), learning_rate=lr, momentum=0.5)
loss_fn = nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction='mean')


def forward_fn(inputs, targets):
    logits = net_work(inputs)
    loss = loss_fn(logits, targets)

    return loss

grad_fn = ms.value_and_grad(forward_fn, None, opt.parameters)

def train_step(inputs, targets):
    loss, grads = grad_fn(inputs, targets)
    opt(grads)
    return loss

# 实例化模型
model1 = train.Model(net_work, loss_fn, opt, metrics={"Accuracy": train.Accuracy()})

在这里插入图片描述
训练和评估

import mindspore as ms
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import time
dataset_train = create_dataset_canidae(data_path_train, "train")
step_size_train = dataset_train.get_dataset_size()

dataset_val = create_dataset_canidae(data_path_val, "val")
step_size_val = dataset_val.get_dataset_size()

num_epochs = 5

# 创建迭代器
data_loader_train = dataset_train.create_tuple_iterator(num_epochs=num_epochs)
data_loader_val = dataset_val.create_tuple_iterator(num_epochs=num_epochs)
best_ckpt_dir = "./BestCheckpoint"

可视化模型预测
使用固定特征得到的best.ckpt文件对对验证集的狼和狗图像数据进行预测。若预测字体为蓝色即为预测正确,若预测字体为红色则预测错误。

import mindspore as ms
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import time
# 开始循环训练
print("Start Training Loop ...")

best_acc = 0

for epoch in range(num_epochs):
    losses = []
    net_work.set_train()

    epoch_start = time.time()

    # 为每轮训练读入数据
    for i, (images, labels) in enumerate(data_loader_train):
        labels = labels.astype(ms.int32)
        loss = train_step(images, labels)
        losses.append(loss)

    # 每个epoch结束后,验证准确率

    acc = model1.eval(dataset_val)['Accuracy']

    epoch_end = time.time()
    epoch_seconds = (epoch_end - epoch_start) * 1000
    step_seconds = epoch_seconds/step_size_train

    print("-" * 20)
    print("Epoch: [%3d/%3d], Average Train Loss: [%5.3f], Accuracy: [%5.3f]" % (
        epoch+1, num_epochs, sum(losses)/len(losses), acc
    ))
    print("epoch time: %5.3f ms, per step time: %5.3f ms" % (
        epoch_seconds, step_seconds
    ))

    if acc > best_acc:
        best_acc = acc
        if not os.path.exists(best_ckpt_dir):
            os.mkdir(best_ckpt_dir)
        ms.save_checkpoint(net_work, best_ckpt_path)

print("=" * 80)
print(f"End of validation the best Accuracy is: {best_acc: 5.3f}, "
      f"save the best ckpt file in {best_ckpt_path}", flush=True)
import matplotlib.pyplot as plt
import mindspore as ms

def visualize_model(best_ckpt_path, val_ds):
    net = resnet50()
    # 全连接层输入层的大小
    in_channels = net.fc.in_channels
    # 输出通道数大小为狼狗分类数2
    head = nn.Dense(in_channels, 2)
    # 重置全连接层
    net.fc = head
    # 平均池化层kernel size为7
    avg_pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=7)
    # 重置平均池化层
    net.avg_pool = avg_pool
    # 加载模型参数
    param_dict = ms.load_checkpoint(best_ckpt_path)
    ms.load_param_into_net(net, param_dict)
    model = train.Model(net)
    # 加载验证集的数据进行验证
    data = next(val_ds.create_dict_iterator())
    images = data["image"].asnumpy()
    labels = data["label"].asnumpy()
    class_name = {0: "dogs", 1: "wolves"}
    # 预测图像类别
    output = model.predict(ms.Tensor(data['image']))
    pred = np.argmax(output.asnumpy(), axis=1)

    # 显示图像及图像的预测值
    plt.figure(figsize=(5, 5))
    for i in range(4):
        plt.subplot(2, 2, i + 1)
        # 若预测正确,显示为蓝色;若预测错误,显示为红色
        color = 'blue' if pred[i] == labels[i] else 'red'
        plt.title('predict:{}'.format(class_name[pred[i]]), color=color)
        picture_show = np.transpose(images[i], (1, 2, 0))
        mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
        std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
        picture_show = std * picture_show + mean
        picture_show = np.clip(picture_show, 0, 1)
        plt.imshow(picture_show)
        plt.axis('off')

    plt.show()

visualize_model(best_ckpt_path, dataset_val)

在这里插入图片描述


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一、问题引入 一般我们在谈上网速度的时候,专业上用带宽来描述,其实无论说网速或者带宽都是不准确的,呵呵。比如:1兆,512K……有些在学校的学生,也许会有疑问,明明我的业务是1M,为…

打开浏览器控制台,点击应用,浏览器崩溃

调试的时候,打开控制台,点击 “应用” 立马浏览器奔溃,但是点击别的没问题 调查发现是因为manifest.json这个文件引起的 manifest.json 最主要的原因是因为没有设置这个sizes字段 Google浏览器更新大概到126之后的版本会有问题,之…

vuepress使用简介及个人博客搭建

目录 一、介绍二、环境准备三、安装运行vuepress四、目录结构五、配置文件六、导航栏配置七、导航栏logo八、浏览器图标九、侧边栏配置十、添加 Git 仓库和编辑链接十一、部署到GitHub十二、搭建成功 一、介绍 VuePress 是 Vuejs 官方提供的一个是Vue驱动的静态网站生成器&…

10.09面试题目记录

艾融软件 - 线上面试题 排序算法的时间复杂度 O(n^2):冒泡,选择,插入 O(logn):折半插入排序 O(nlogn):希尔,归并,快速,堆 O(nk):桶,…

12款超良心好用APP推荐,每一款都值得下载!

AI视频生成:小说文案智能分镜智能识别角色和场景批量Ai绘图自动配音添加音乐一键合成视频https://aitools.jurilu.com/分享是奉献的果实,分享是快乐的前提。每天给小伙伴们分享自己认可的软件,也是莫大的幸福,今天获得12款好用的软…

【qt】如何获取本机的IP地址?

需要用到这个类QHostInfo和pro里面添加network模块 用这个类的静态函数forName()来获取该主机名的信息 返回的就是这个类 这个QHostInfo类就包括主机的IP地址信息 用静态函数addresses()来获取 返回的是一个QHostAddress的容器 QList<QHostAddress>addrList hostIn…

基于React和TypeScript的开源白板项目(Github项目分享)

在学习前端开发的过程中&#xff0c;有时候我们需要一些有趣的项目来提升我们的技能。今天我要给大家介绍的是一个非常酷的项目——NinjaSketch&#xff0c;这是一个用React和TypeScript构建的简易白板工具。这个项目使用了Rough.js来实现手绘风格的效果。尽管这个应用不是响应…

知识图谱和 LLM:多跳问答

检索增强生成&#xff08;RAG&#xff09;应用程序通过将外部来源的数据集成到 LLM 中&#xff0c;擅长回答简单的问题。但他们很难回答涉及将相关信息之间的点连接起来的多部分问题。这是因为 RAG 应用程序需要一个数据库&#xff0c;该数据库旨在存储数据&#xff0c;以便轻松…