使用MobileNetV2网络实现微调（Fine Tune）
Linux Windows Ascend GPU CPU 模型开发 中级 高级
概述
计算机视觉任务中，从头开始训练一个网络耗时巨大，需要大量计算能力。预训练模型选择的常见的OpenImage、ImageNet、VOC、COCO等公开大型数据集，规模达到几十万甚至超过上百万张。大部分任务数据规模较大，训练网络模型时，如果不使用预训练模型，从头开始训练网络，需要消耗大量的时间与计算能力，模型容易陷入局部极小值和过拟合。因此大部分任务都会选择预训练模型，在其上做微调（也称为Fine Tune）。
MindSpore是一个多元化的机器学习框架。既可以在手机等端侧和PC等设备上运行，也可以在云上的服务器集群上运行。目前MobileNetV2支持在Windows、EulerOS和Ubuntu系统中使用单个CPU做微调，也可以使用单个或者多个Ascend AI处理器或GPU做微调，本教程将会介绍如何在不同系统与处理器下的MindSpore框架中做微调的训练与验证。
目前，Window上暂只支持支持CPU，Ubuntu与EulerOS上支持CPU、GPU与Ascend AI处理器三种处理器。
任务描述及准备
环境配置
若在本地环境运行，需要安装MindSpore框架，配置CPU、GPU或Ascend AI处理器。若在华为云环境上运行，不需要安装MindSpore框架，不需要配置Ascend AI处理器、CPU与GPU，可以跳过本小节。
Windows操作系统中使用\，Linux操作系统中使用/分割路径地址中不同层级目录，下文中默认使用/，若用户使用Windows操作系统，路径地址中/需自行更改为\。
安装MindSpore框架 在EulerOS、Ubuntu或者Windows等系统上需要根据系统和处理器架构安装对应版本MindSpore框架。
配置CPU环境
使用CPU时，在代码中，需要在调用CPU开始训练或测试前，按照如下代码设置：if config.platform == "CPU": context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target=config.platform, \ save_graphs=False)
配置GPU环境
使用GPU时，在代码中，需要在调用GPU开始训练或测试前，按照如下代码设置：elif config.platform == "GPU": context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target=config.platform, save_graphs=False) if config.run_distribute: init("nccl") context.set_auto_parallel_context(device_num=get_group_size(), parallel_mode=ParallelMode.DATA_PARALLEL, gradients_mean=True)
配置Ascend环境
以Ascend 910 AI处理器为例，1个8个处理器环境的json配置文件hccl_config.json示例如下。单/多处理器环境可以根据以下示例调整"server_count"与device：{ "version": "1.0", "server_count": "1", "server_list": [ { "server_id": "10.*.*.*", "device": [ {"device_id": "0","device_ip": "192.1.27.6","rank_id": "0"}, {"device_id": "1","device_ip": "192.2.27.6","rank_id": "1"}, {"device_id": "2","device_ip": "192.3.27.6","rank_id": "2"}, {"device_id": "3","device_ip": "192.4.27.6","rank_id": "3"}, {"device_id": "4","device_ip": "192.1.27.7","rank_id": "4"}, {"device_id": "5","device_ip": "192.2.27.7","rank_id": "5"}, {"device_id": "6","device_ip": "192.3.27.7","rank_id": "6"}, {"device_id": "7","device_ip": "192.4.27.7","rank_id": "7"}], "host_nic_ip": "reserve" } ], "status": "completed" }
使用Ascend AI处理器时，在代码中，需要在调用Ascend AI处理器开始训练或测试前，按照如下代码设置：
elif config.platform == "Ascend": context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target=config.platform, device_id=config.device_id, save_graphs=False) if config.run_distribute: context.set_auto_parallel_context(device_num=config.rank_size, parallel_mode=ParallelMode.DATA_PARALLEL, gradients_mean=True, all_reduce_fusion_config=[140]) init() ...
下载代码
在Gitee中克隆MindSpore开源项目仓库，进入./model_zoo/official/cv/mobilenetv2/。
git clone https://gitee.com/mindspore/mindspore.git -b r1.3
cd ./mindspore/model_zoo/official/cv/mobilenetv2
代码结构如下：
├── MobileNetV2
├── README.md # MobileNetV2相关描述
├── ascend310_infer # 用于310推理
├── scripts
│ ├──run_train.sh # 使用CPU、GPU或Ascend进行训练、微调或增量学习的shell脚本
│ ├──run_eval.sh # 使用CPU、GPU或Ascend进行评估的shell脚本
│ ├──cache_util.sh # 包含一些使用cache的帮助函数
│ ├──run_train_nfs_cache.sh # 使用NFS的数据集进行训练并利用缓存服务进行加速的shell脚本
│ ├──run_infer_310.sh # 使用Dvpp 或CPU算子进行推理的shell脚本
├── src
│ ├──aipp.cfg # aipp配置
│ ├──dataset.py # 创建数据集
│ ├──launch.py # 启动Python脚本
│ ├──lr_generator.py # 配置学习率
│ ├──mobilenetV2.py # MobileNetV2架构
│ ├──models.py # 加载define_net、Loss、及Monitor
│ ├──utils.py # 加载ckpt_file进行微调或增量学习
│ └──model_utils
│ ├──config.py # 获取.yaml配置参数
│ ├──device_adapter.py # 获取云上id
│ ├──local_adapter.py # 获取本地id
│ └──moxing_adapter.py # 云上数据准备
├── default_config.yaml # 训练配置参数(ascend)
├── default_config_cpu.yaml # 训练配置参数(cpu)
├── default_config_gpu.yaml # 训练配置参数(gpu)
├── train.py # 训练脚本
├── eval.py # 评估脚本
├── export.py # 模型导出脚本
├── mindspore_hub_conf.py # MindSpore Hub接口
├── postprocess.py # 推理后处理脚本
运行微调训练与测试时，Windows、Ubuntu与EulersOS上可以使用Python文件train.py与eval.py，Ubuntu与EulerOS上还可以使用Shell脚本文件run_train.sh与run_eval.sh。
使用脚本文件run_train.sh时，该文件会将运行launch.py并且将参数传入launch.py，launch.py根据分配的CPU、GPU或Ascend AI处理器数量，启动单个/多个进程运行train.py，每一个进程分配对应的一个处理器。
准备预训练模型
用户需要根据不同处理器种类下载CPU/GPU预训练模型或下载Ascend预训练模型到以下目录：
./pretrain_checkpoint/
CPU/GPU 处理器
mkdir pretrain_checkpoint wget -P ./pretrain_checkpoint https://download.mindspore.cn/model_zoo/official/lite/mobilenetv2_openimage_lite/mobilenetv2_cpu_gpu.ckpt --no-check-certificate
Ascend AI处理器
mkdir pretrain_checkpoint wget -P ./pretrain_checkpoint https://download.mindspore.cn/model_zoo/official/lite/mobilenetv2_openimage_lite/mobilenetv2_ascend.ckpt --no-check-certificate
准备数据
准备ImageFolder格式管理的数据集，运行run_train.sh时加入<dataset_path>参数，运行train.py时加入--dataset_path <dataset_path>参数：
数据集结构如下：
└─ImageFolder
├─train
│ class1Folder
│ class2Folder
│ ......
└─eval
class1Folder
class2Folder
......
预训练模型加载代码详解
在微调时，需要加载预训练模型。不同数据集和任务中特征提取层（卷积层）分布趋于一致，但是特征向量的组合（全连接层）不相同，分类数量（全连接层output_size）通常也不一致。在微调时，只加载与训练特征提取层参数，不加载与训练全连接层参数；在微调与初始训练时，加载与训练特征提取层参数与全连接层参数。
在训练与测试之前，首先按照代码第1行，构建MobileNetV2的backbone网络，head网络，并且构建包含这两个子网络的MobileNetV2网络。代码第3-10行展示了如何定义backbone_net与head_net，以及将两个子网络置入mobilenet_v2中。代码第12-27行，展示了在微调训练模式下，需要将预训练模型加载入backbone_net子网络，并且冻结backbone_net中的参数，不参与训练。代码第25-27行展示了如何冻结网络参数。
1: backbone_net, head_net, net = define_net(config, config.is_training)
2: ...
3: def define_net(config, is_training=True):
4: backbone_net = MobileNetV2Backbone()
5: activation = config.activation if not is_training else "None"
6: head_net = MobileNetV2Head(input_channel=backbone_net.out_channels,
7: num_classes=config.num_classes,
8: activation=activation)
9: net = mobilenet_v2(backbone_net, head_net)
10: return backbone_net, head_net, net
11: ...
12: if config.pretrain_ckpt:
13: if config.freeze_layer == "backbone":
14: load_ckpt(backbone_net, config.pretrain_ckpt, trainable=False)
15: step_size = extract_features(backbone_net, config.dataset_path, config)
16: elif config.filter_head:
17: load_ckpt(backbone_net, config.pretrain_ckpt)
18: else:
19: load_ckpt(net, config.pretrain_ckpt)
20: ...
21: def load_ckpt(network, pretrain_ckpt_path, trainable=True):
22: """ train the param weight or not """
23: param_dict = load_checkpoint(pretrain_ckpt_path)
24: load_param_into_net(network, param_dict)
25: if not trainable:
26: for param in network.get_parameters():
27: param.requires_grad = False
参数简介
每个参数需要用户根据自己本地的处理器类型、数据地址与预训练模型地址等修改为相应的值。
运行Python文件
在Windows与Linux系统上训练时，运行train.py时需要传入 config_path、 dataset_path、platform、pretrain_ckpt与freeze_layer五个参数。验证时，运行eval.py并且传入config_path、dataset_path、platform、pretrain_ckpt四个参数。
# Windows/Linux train with Python file
python train.py --config_path [CONFIG_PATH] --platform [PLATFORM] --dataset_path <DATASET_PATH> --pretrain_ckpt [PRETRAIN_CHECKPOINT_PATH] --freeze_layer[("none", "backbone")]
# Windows/Linux eval with Python file
python eval.py --config_path [CONFIG_PATH] --platform [PLATFORM] --dataset_path <DATASET_PATH> --pretrain_ckpt <PRETRAIN_CHECKPOINT_PATH>
--config_path：训练与验证所需参数。--dataset_path：训练与验证数据集地址，无默认值，用户训练/验证时必须输入。--platform：处理器类型，默认为“Ascend”，可以设置为“CPU”或”GPU”。--pretrain_ckpt：增量训练或调优时，需要传入pretrain_checkpoint文件路径以加载预训练好的模型参数权重。--freeze_layer：冻结网络层，输入“none”、”backbone”其中一个。
运行Shell脚本
在Linux系统上时，可以选择运行Shell脚本文件./scripts/run_train.sh与./scripts/run_eval.sh。运行时需要在交互界面中同时传入参数。
# Windows doesn't support Shell
# Linux train with Shell script
sh run_train.sh [PLATFORM] [DEVICE_NUM] [VISIABLE_DEVICES(0,1,2,3,4,5,6,7)] [RANK_TABLE_FILE] [DATASET_PATH] [CKPT_PATH](optional) [FREEZE_LAYER](optional) [FILTER_HEAD](optional)
# Linux eval with Shell script for fine tune
sh run_eval.sh [PLATFORM] [DATASET_PATH] [PRETRAIN_CKPT_PATH]
<PLATFORM>：处理器类型，默认为“Ascend”，可以设置为“GPU”。<DEVICE_NUM>：每个节点（一台服务器/PC相当于一个节点）进程数量，建议设置为机器上Ascend AI处理器数量或GPU数量。<VISIABLE_DEVICES(0,1,2,3,4,5,6,7)>：字符串格式的设备ID，训练将会根据<VISIABLE_DEVICES>将进程绑定到对应ID的设备上，多个设备ID之间使用’,’分隔，建议ID数量与进程数量相同。<RANK_TABLE_FILE>：platform选择Ascend时，需要配置Ascend的配置Json文件,。<DATASET_PATH>：训练与验证数据集地址，无默认值，用户训练/验证时必须输入。<CKPT_PATH>：增量训练或调优时，需要传入checkpoint文件路径以加载预训练好的模型参数权重[FREEZE_LAYER]：针对微调的模型做验证时，需要选择不冻结网络或者冻结backbone。
加载微调训练
Windows系统上，MobileNetV2做微调训练时，只能运行train.py。Linux系统上，使用MobileNetV2做微调训练时，可以选择运行run_train.sh， 并在运行Shell脚本文件时传入参数。
Windows系统输出信息到交互式命令行，Linux系统环境下运行run_train.sh时，命令行结尾使用&> <log_file_path>将标准输出与错误输出写入log文件。微调成功开始训练，./train/rank*/log*.log中会持续写入每一个epoch的训练时间与Loss等信息。若未成功，上述log文件会写入失败报错信息。
CPU加载训练
设置节点数量
目前运行
train.py时仅支持单处理器，不需要调整处理器数量。运行run_train.sh文件时，CPU设备默认为单处理器，目前暂不支持修改CPU数量。开始增量训练
使用样例1：通过Python文件调用1个CPU处理器。
# Windows or Linux with Python python train.py --config_path ./default_config_cpu.yaml --platform CPU --dataset_path <TRAIN_DATASET_PATH> --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint/mobilenetv2_cpu_gpu.ckpt --freeze_layer backbone --filter_head FILTER_HEAD &> ./train.log &
使用样例2：通过Shell文件调用1个CPU处理器。
# Linux with Shell sh run_train.sh CPU [DATASET_PATH] [CKPT_PATH](optional) [FREEZE_LAYER](optional) [FILTER_HEAD](optional)
GPU加载训练
设置节点数量
目前运行
train.py时仅支持单处理器，不需要调整节点数量。运行run_train.sh文件时，设置<nproc_per_node>为GPU数量，<visible_devices>为可使用的处理器编号，即GPU的ID，可以选择一个或多个设备ID，使用,隔开。开始增量训练
使用样例1：通过Python文件调用1个GPU处理器。
# Windows or Linux with Python python train.py --config_path ./default_config_gpu.yaml --platform GPU --dataset_path <TRAIN_DATASET_PATH> --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint/mobilenetv2_cpu_gpu.ckpt --freeze_layer backbone
使用样例2：通过Shell脚本调用1个GPU处理器，设备ID为
“0”。# Linux with Shell sh run_train.sh GPU 1 0 [DATASET_PATH] [CKPT_PATH](optional) [FREEZE_LAYER](optional) [FILTER_HEAD](optional)
使用样例3：通过Shell脚本调用8个GPU处理器，设备ID为
“0,1,2,3,4,5,6,7”。# Linux with Shell sh run_train.sh GPU 8 0,1,2,3,4,5,6,7 [DATASET_PATH] [CKPT_PATH](optional) [FREEZE_LAYER](optional) [FILTER_HEAD](optional)
Ascend加载训练
设置节点数量
目前运行
train.py时仅支持单处理器，不需要调整节点数量。运行run_train.sh文件时，设置<nproc_per_node>为Ascend AI处理器数量，<visible_devices>为可使用的处理器编号，即Ascend AI处理器的ID，8卡服务器可以选择0-7中一个或多个设备ID，使用,隔开。Ascend节点处理器数量目前只能设置为1或者8。开始增量训练
使用样例1：通过Python文件调用1个Ascend处理器。
# Windows or Linux with Python python train.py --config_path ./default_config.yaml --platform Ascend --dataset_path <TRAIN_DATASET_PATH> --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint mobilenetv2_ascend.ckpt --freeze_layer backbone
使用样例2：通过Shell脚本调用1个Ascend AI处理器，设备ID为“0”。
# Linux with Shell sh run_train.sh Ascend 1 0 ~/rank_table.json <TRAIN_DATASET_PATH> ../pretrain_checkpoint/mobilenetv2_ascend.ckpt backbone
使用样例3：通过Shell脚本调用8个Ascend AI处理器，设备ID为”0,1,2,3,4,5,6,7“。
# Linux with Shell sh run_train.sh Ascend 8 0,1,2,3,4,5,6,7 ~/rank_table.json <TRAIN_DATASET_PATH> ../pretrain_checkpoint/mobilenetv2_ascend.ckpt backbone
微调训练结果
查看运行结果。
运行Python文件时在交互式命令行中查看打印信息，
Linux上运行Shell脚本运行后使用cat ./train/rank0/log0.log中查看打印信息，输出结果如下：train args: Namespace(dataset_path='./dataset/train', platform='CPU', \ pretrain_ckpt='./pretrain_checkpoint/mobilenetv2_cpu_gpu.ckpt', freeze_layer='backbone') cfg: {'num_classes': 26, 'image_height': 224, 'image_width': 224, 'batch_size': 150, \ 'epoch_size': 200, 'warmup_epochs': 0, 'lr_max': 0.03, 'lr_end': 0.03, 'momentum': 0.9, \ 'weight_decay': 4e-05, 'label_smooth': 0.1, 'loss_scale': 1024, 'save_checkpoint': True, \ 'save_checkpoint_epochs': 1, 'keep_checkpoint_max': 20, 'save_checkpoint_path': './', \ 'platform': 'CPU'} Processing batch: 16: 100%|███████████████████████████████████████████ █████████████████████| 16/16 [00:00<?, ?it/s] epoch[200], iter[16] cost: 256.030, per step time: 256.030, avg loss: 1.775total cos 7.2574 s
查看保存的checkpoint文件。
Windows上使用
dir checkpoint查看保存的模型文件：dir ckpt_0 2020//0814 11:20 267,727 mobilenetv2_1.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_10.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_11.ckpt ... 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_7.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_8.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_9.ckpt
Linux上使用
ls ./checkpoint查看保存的模型文件：ls ./ckpt_0/ mobilenetv2_1.ckpt mobilenetv2_2.ckpt mobilenetv2_3.ckpt mobilenetv2_4.ckpt ...
验证微调训练模型
验证模型
使用验证集测试模型性能，需要输入必要参数，--platform默认为“Ascend”，可自行设置为”CPU”或”GPU”。最终在交互式命令行中展示标准输出与错误输出，或者将其写入eval.log文件。
# Windows/Linux with Python
python eval.py --config_path ./default_config_cpu.yaml --platform CPU --dataset_path <VAL_DATASET_PATH> --pretrain_ckpt ./ckpt_0/mobilenetv2_15.ckpt
# Linux with Shell
sh run_eval.sh CPU <VAL_DATASET_PATH> ../ckpt_0/mobilenetv2_15.ckpt
验证结果
运行Python文件时在交互式命令行中输出验证结果，Shell脚本将把这些信息写入./eval.log中，需要使用cat ./eval.log查看，结果如下：
result:{'acc': 0.9466666666666666666667}
pretrain_ckpt = ./ckpt_0/mobilenetv2_15.ckpt