Pytorch深度學(xué)習(xí)-用SE-ResNet訓(xùn)練CIFAR10數(shù)據(jù)集

CIFAR10數(shù)據(jù)集來(lái)源:torchvision.datasets.CIFAR10()

CIFAR10數(shù)據(jù)集是一個(gè)用于識(shí)別普適物體的小型數(shù)據(jù)集锰什,一共包含10個(gè)類別的RGB彩色圖片下硕,圖片尺寸大小為32x32,如圖:

CIFAR10.png

相較于MNIST數(shù)據(jù)集汁胆,MNIST數(shù)據(jù)集是28x28的單通道灰度圖梭姓,而CIFAR10數(shù)據(jù)集是32x32的RGB三通道彩色圖,CIFAR10數(shù)據(jù)集更接近于真實(shí)世界的圖片嫩码。

ResNet網(wǎng)絡(luò)模型:

ResNet.png

本文采用ResNet18來(lái)構(gòu)建深度網(wǎng)絡(luò)模型:

ResNet18.png

SeNet:Squeeze-and-Excitation的縮寫(xiě)誉尖,特征壓縮與激發(fā),基于通道注意力
1.Squeeze-and-Excitation(SE) block 并不是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)谢谦,而是一個(gè)子結(jié)構(gòu)释牺,可以嵌到其他分類或檢測(cè)模型中
2.SENet網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新點(diǎn)在于關(guān)注 channel 之間的關(guān)系,希望模型可以自動(dòng)學(xué)習(xí)到不同 channel 特征的重要程度
3.本質(zhì)上回挽,SeNet基于注意力機(jī)制給與每個(gè)通道不同的權(quán)重没咙,SE模塊是在 channel 維度上做 attention
具體操作過(guò)程如下:
對(duì)于每一輸出通道,先 global average pool千劈,每個(gè)通道得到 1個(gè)標(biāo)量祭刚,C個(gè)通道得到C個(gè)數(shù),

image.png

然后經(jīng)過(guò) FC(in,in/16)-ReLU-FC(in,in/16)-Sigmoid 得到 C個(gè)0~1 之間的標(biāo)量墙牌,作為通道的加權(quán)涡驮,

然后原來(lái)的輸出通道每個(gè)通道用對(duì)應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)(對(duì)應(yīng)通道的每個(gè)元素與權(quán)重分別相乘),得到新的加權(quán)后的特征喜滨,作者稱為 feature recalibration


SeResNet.png

1. 數(shù)據(jù)集構(gòu)建

每個(gè)像素點(diǎn)即每條數(shù)據(jù)中的值范圍為0-255捉捅,有的數(shù)字過(guò)大不利于訓(xùn)練且難以收斂,故將其歸一化到(0-1)之間

# 數(shù)據(jù)集處理

# transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5)---以0.5的概率對(duì)圖片做水平橫向翻轉(zhuǎn)
# transforms.RandomCrop(32, padding=4)---填充到40*40后虽风,再隨機(jī)裁剪成32*32
transform_train = transforms.Compose([transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5),
                                      transforms.RandomCrop(32, padding=4),
                                      transforms.ToTensor(),
                                      transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))])

# transforms.ToTensor()---shape從(H,W,C)->(C,H,W), 每個(gè)像素點(diǎn)從(0-255)映射到(0-1):直接除以255
# transforms.Normalize---先將輸入歸一化到(0,1),像素點(diǎn)通過(guò)"(x-mean)/std",將每個(gè)元素分布到(-1,1)
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                                transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))])

train_dataset = datasets.CIFAR10(root="../DataSet/cifar10", train=True, transform=transform_train,
                                 download=True)
test_dataset = datasets.CIFAR10(root="../DataSet/cifar10", train=False, transform=transform,
                                download=True)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=128, shuffle=True, num_workers=2)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=128, shuffle=False, num_workers=2)



2.構(gòu)建SE-ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型棒口,最后接Softmax來(lái)處理output

1)構(gòu)建 SE-Block單元

# SE-Block單元--SEblock是一個(gè)子結(jié)構(gòu),幾乎可以嵌入任何一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之中
class SE_Block(nn.Module):
    def __init__(self, input_channel, reduction=16):
        super(SE_Block, self).__init__()

        self.adaptive_avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)  # 全局自適應(yīng)池化
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_channel, input_channel // reduction),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(input_channel // reduction, input_channel),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        b, c, h, w = x.size()

        # squeeze操作:(b,c,h,w)->(b,c)
        y = self.adaptive_avg_pool(x).view(b, c)

        # FC獲取通道注意力權(quán)重辜膝,是具有全局信息的
        y = self.fc(y).view(b, c, 1, 1)  

        # 注意力作用每一個(gè)通道上
        y = x * y.expand_as(x) 
        # 殘差連接
        return  x+y

2)ResNet18_BasicBlock-殘差單元

# 構(gòu)建 VGGNet18 網(wǎng)絡(luò)模型

# 1.ResNet18_BasicBlock-殘差單元
class ResNet18_BasicBlock(nn.Module):
    def __init__(self, input_channel, output_channel, stride, use_conv1_1):
        super(ResNet18_BasicBlock, self).__init__()

        # 第一層卷積
        self.conv1 = nn.Conv2d(input_channel, output_channel, kernel_size=3, stride=stride, padding=1)
        # 第二層卷積
        self.conv2 = nn.Conv2d(output_channel, output_channel, kernel_size=3, stride=1, padding=1)

        # 1*1卷積核无牵,在不改變圖片尺寸的情況下給通道升維
        self.extra = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(input_channel, output_channel, kernel_size=1, stride=stride, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(output_channel)
        )

        self.use_conv1_1 = use_conv1_1

        self.bn = nn.BatchNorm2d(output_channel)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        out = self.bn(self.conv1(x))
        out = self.relu(out)

        out = self.bn(self.conv2(out))

        # 殘差連接-(B,C,H,W)維度一致才能進(jìn)行殘差連接
        if self.use_conv1_1:
            out = self.extra(x) + out

        out = self.relu(out)
        return out

3. 構(gòu)建損失函數(shù)和優(yōu)化器

損失函數(shù)采用CrossEntropyLoss
優(yōu)化器采用 SGD 隨機(jī)梯度優(yōu)化算法

# 構(gòu)造損失函數(shù)和優(yōu)化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
opt = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.8, weight_decay=5e-4)

# 動(dòng)態(tài)更新學(xué)習(xí)率------每隔step_size : lr = lr * gamma
schedule = optim.lr_scheduler.StepLR(opt, step_size=10, gamma=0.6, last_epoch=-1)

4.完整代碼

# -*- codeing = utf-8 -*-
# @Time : 2022/6/14 13:09
# @Software : PyCharm

import torch
from torch import nn, optim
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms
from matplotlib import pyplot as plt
import time

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5)---以0.5的概率對(duì)圖片做水平橫向翻轉(zhuǎn)
# transforms.RandomCrop(32, padding=4)---填充到40*40后,再隨機(jī)裁剪成32*32
transform_train = transforms.Compose([transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5),
                                      transforms.RandomCrop(32, padding=4),
                                      transforms.ToTensor(),
                                      transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))])

# transforms.ToTensor()---shape從(H,W,C)->(C,H,W), 每個(gè)像素點(diǎn)從(0-255)映射到(0-1):直接除以255
# transforms.Normalize---先將輸入歸一化到(0,1),像素點(diǎn)通過(guò)"(x-mean)/std",將每個(gè)元素分布到(-1,1)
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                                transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))])

train_dataset = datasets.CIFAR10(root="../DataSet/cifar10", train=True, transform=transform_train,
                                 download=True)
test_dataset = datasets.CIFAR10(root="../DataSet/cifar10", train=False, transform=transform,
                                download=True)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=128, shuffle=True, num_workers=2)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=128, shuffle=False, num_workers=2)


# SE-Block單元--SEblock是一個(gè)子結(jié)構(gòu)厂抖,幾乎可以嵌入任何一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之中
class SE_Block(nn.Module):
    def __init__(self, input_channel, reduction=16):
        super(SE_Block, self).__init__()

        self.adaptive_avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)  # 全局自適應(yīng)池化
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_channel, input_channel // reduction),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(input_channel // reduction, input_channel),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        b, c, h, w = x.size()

        # squeeze操作:(b,c,h,w)->(b,c)
        y = self.adaptive_avg_pool(x).view(b, c)

        # FC獲取通道注意力權(quán)重茎毁,是具有全局信息的
        y = self.fc(y).view(b, c, 1, 1)

        # 注意力作用每一個(gè)通道上
        y = x * y.expand_as(x)
        # 殘差連接
        return x+y


# ResNet18_BasicBlock-殘差單元
class ResNet18_BasicBlock(nn.Module):
    def __init__(self, input_channel, output_channel, stride, use_conv1_1):
        super(ResNet18_BasicBlock, self).__init__()

        # 第一層卷積
        self.conv1 = nn.Conv2d(input_channel, output_channel, kernel_size=3, stride=stride, padding=1)
        # 第二層卷積
        self.conv2 = nn.Conv2d(output_channel, output_channel, kernel_size=3, stride=1, padding=1)

        # 1*1卷積核,在不改變圖片尺寸的情況下給通道升維
        self.extra = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(input_channel, output_channel, kernel_size=1, stride=stride, padding=0),
            nn.BatchNorm2d(output_channel)
        )

        self.use_conv1_1 = use_conv1_1

        self.bn = nn.BatchNorm2d(output_channel)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        out = self.bn(self.conv1(x))
        out = self.relu(out)

        out = self.bn(self.conv2(out))

        # 殘差連接-(B,C,H,W)維度一致才能進(jìn)行殘差連接
        if self.use_conv1_1:
            out = self.extra(x) + out

        out = self.relu(out)
        return out


# 構(gòu)建 ResNet18 網(wǎng)絡(luò)模型
class ResNet18(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ResNet18, self).__init__()

        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64),
            # nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        self.block1_1 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=64, output_channel=64, stride=1, use_conv1_1=False)
        self.se_block64 = SE_Block(64)
        self.block1_2 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=64, output_channel=64, stride=1, use_conv1_1=False)

        self.block2_1 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=64, output_channel=128, stride=2, use_conv1_1=True)
        self.se_block128 = SE_Block(128)
        self.block2_2 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=128, output_channel=128, stride=1, use_conv1_1=False)

        self.block3_1 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=128, output_channel=256, stride=2, use_conv1_1=True)
        self.se_block256 = SE_Block(256)
        self.block3_2 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=256, output_channel=256, stride=1, use_conv1_1=False)

        self.block4_1 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=256, output_channel=512, stride=2, use_conv1_1=True)
        self.se_block512 = SE_Block(512)
        self.block4_2 = ResNet18_BasicBlock(input_channel=512, output_channel=512, stride=1, use_conv1_1=False)

        # 全連接層
        self.FC_layer = nn.Sequential(

            nn.Linear(512, 256),
            nn.ReLU(inplace=True),
            # 使一半的神經(jīng)元不起作用忱辅,防止參數(shù)量過(guò)大導(dǎo)致過(guò)擬合
            nn.Dropout(0.5),

            nn.Linear(256, 128),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(0.5),

            nn.Linear(128, 10)
        )

        self.adaptive_avg_pool2d = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)

        # ResNet18-網(wǎng)絡(luò)模型
        x = self.block1_1(x)
        x = self.se_block64(x)
        x = self.block1_2(x)
        x = self.block2_1(x)
        x = self.se_block128(x)
        x = self.block2_2(x)
        x = self.block3_1(x)
        x = self.se_block256(x)
        x = self.block3_2(x)
        x = self.block4_1(x)
        x = self.se_block512(x)
        x = self.block4_2(x)

        # 平均值池化
        x = self.adaptive_avg_pool2d(x)

        # 數(shù)據(jù)平坦化處理七蜘,為接下來(lái)的全連接層做準(zhǔn)備
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.FC_layer(x)

        return x


# 初始化模型
model = ResNet18().to(device)

# 構(gòu)造損失函數(shù)和優(yōu)化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
opt = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.8, weight_decay=5e-4)

# 動(dòng)態(tài)更新學(xué)習(xí)率------每隔step_size : lr = lr * gamma
schedule = optim.lr_scheduler.StepLR(opt, step_size=10, gamma=0.6, last_epoch=-1)

loss_list = []


# train
def train(epoch):
    model.train()
    start = time.time()
    for epoch in range(epoch):
        running_loss = 0.0
        for i, (inputs, labels) in enumerate(train_loader, 0):

            inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

            # 將數(shù)據(jù)送入模型訓(xùn)練
            outputs = model(inputs)
            # 計(jì)算損失
            loss = criterion(outputs, labels).to(device)

            # 重置梯度
            opt.zero_grad()
            # 計(jì)算梯度,反向傳播
            loss.backward()
            # 根據(jù)反向傳播的梯度值優(yōu)化更新參數(shù)
            opt.step()

            # 100個(gè)batch的 loss 之和
            running_loss += loss.item()
            loss_list.append(loss.item())

            # 每一百個(gè) batch 查看一下 平均loss
            if (i + 1) % 100 == 0:
                print('epoch = %d , batch = %d , loss = %.6f' % (epoch + 1, i + 1, running_loss / 100))
                running_loss = 0.0

        # 每一輪結(jié)束輸出一下當(dāng)前的學(xué)習(xí)率 lr
        lr_1 = opt.param_groups[0]['lr']
        print("learn_rate:%.15f" % lr_1)
        schedule.step()

    end = time.time()
    # 計(jì)算并打印輸出你的訓(xùn)練時(shí)間
    print("time:{}".format(end - start))

    # 訓(xùn)練過(guò)程可視化
    plt.plot(loss_list)
    plt.ylabel('loss')
    plt.xlabel('Epoch')
    plt.savefig('./SeResNet_train_img.png')
    plt.show()


# Test
def verify():
    model.eval()
    correct = 0.0
    total = 0
    # 訓(xùn)練模式不需要反向傳播更新梯度
    with torch.no_grad():
        print("===========================test===========================")
        for inputs, labels in test_loader:
            inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)
            outputs = model(inputs)

            pred = outputs.argmax(dim=1)  # 返回每一行中最大值元素索引
            total += inputs.size(0)
            correct += torch.eq(pred, labels).sum().item()

    print("Accuracy of the network on the 10000 test images:%.2f %%" % (100 * correct / total))
    print("==========================================================")


if __name__ == '__main__':
    train(100)
    verify()

    # SeResNet: 采用se_block單元
    # 使用 SeResNet 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 CIFAR10 數(shù)據(jù)集

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    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 56,340評(píng)論 1 283
  • 正文 為了忘掉前任磺平,我火速辦了婚禮,結(jié)果婚禮上拐辽,老公的妹妹穿的比我還像新娘拣挪。我一直安慰自己,他們只是感情好俱诸,可當(dāng)我...
    茶點(diǎn)故事閱讀 65,404評(píng)論 5 384
  • 文/花漫 我一把揭開(kāi)白布菠劝。 她就那樣靜靜地躺著,像睡著了一般乙埃。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪闸英。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上,一...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 49,749評(píng)論 1 289
  • 那天介袜,我揣著相機(jī)與錄音甫何,去河邊找鬼。 笑死遇伞,一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛辙喂,可吹牛的內(nèi)容都是我干的。 我是一名探鬼主播鸠珠,決...
    沈念sama閱讀 38,902評(píng)論 3 405
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開(kāi)眼巍耗,長(zhǎng)吁一口氣:“原來(lái)是場(chǎng)噩夢(mèng)啊……” “哼!你這毒婦竟也來(lái)了渐排?” 一聲冷哼從身側(cè)響起炬太,我...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 37,662評(píng)論 0 266
  • 序言:老撾萬(wàn)榮一對(duì)情侶失蹤,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎驯耻,沒(méi)想到半個(gè)月后亲族,有當(dāng)?shù)厝嗽跇?shù)林里發(fā)現(xiàn)了一具尸體,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 44,110評(píng)論 1 303
  • 正文 獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡,尸身上長(zhǎng)有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點(diǎn)故事閱讀 36,451評(píng)論 2 325
  • 正文 我和宋清朗相戀三年,在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了神年。 大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片。...
    茶點(diǎn)故事閱讀 38,577評(píng)論 1 340
  • 序言:一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡知给,死狀恐怖,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出,到底是詐尸還是另有隱情涩赢,我是刑警寧澤戈次,帶...
    沈念sama閱讀 34,258評(píng)論 4 328
  • 正文 年R本政府宣布,位于F島的核電站筒扒,受9級(jí)特大地震影響朝扼,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏。R本人自食惡果不足惜霎肯,卻給世界環(huán)境...
    茶點(diǎn)故事閱讀 39,848評(píng)論 3 312
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望榛斯。 院中可真熱鬧观游,春花似錦、人聲如沸驮俗。這莊子的主人今日做“春日...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 30,726評(píng)論 0 21
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽(yáng)王凑。三九已至搪柑,卻和暖如春,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間索烹,已是汗流浹背工碾。 一陣腳步聲響...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 31,952評(píng)論 1 264
  • 我被黑心中介騙來(lái)泰國(guó)打工, 沒(méi)想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留百姓,地道東北人渊额。 一個(gè)月前我還...
    沈念sama閱讀 46,271評(píng)論 2 360
  • 正文 我出身青樓,卻偏偏與公主長(zhǎng)得像垒拢,于是被迫代替她去往敵國(guó)和親旬迹。 傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
    茶點(diǎn)故事閱讀 43,452評(píng)論 2 348

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