MobileNetV2 增量学习
Linux Windows CPU Ascend GPU 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，在其上做增量学习。
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系统中使用单核CPU做增量学习，在EulerOS、Ubuntu系统中使用单个或者多个Ascend AI处理器或GPU中做增量学习，本教程将会介绍如何在不同系统与处理器下的MindSpore框架中做增量学习的训练与验证。
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r0.7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) init("nccl") context.set_auto_parallel_context(device_num=get_group_size(), parallel_mode=ParallelMode.DATA_PARALLEL, mirror_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": [ba {"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, parameter_broadcast=True, mirror_mean=True) auto_parallel_context().set_all_reduce_fusion_split_indices([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 r0.7
cd ./mindspore/model_zoo/official/cv/mobilenetv2
代码结构如下：
├─MobileNetV2
├─README.md # descriptions about MobileNetV2
├─scripts
│ run_train.sh # Shell script for train with Ascend or GPU
│ run_eval.sh # Shell script for evaluation with Ascend or GPU
├─src
│ config.py # parameter configuration
│ dataset.py # creating dataset
│ launch.py # start Python script
│ lr_generator.py # learning rate config
│ mobilenetV2.py # MobileNetV2 architecture
│ mobilenetV2_fusion.py # MobileNetV2 fusion architecture
│ models.py # net utils to load ckpt_file, define_net...
│ utils.py # net utils to switch precision, set_context and so on
├─train.py # training script
└─eval.py # evaluation script
运行增量学习训练与测试时，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
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
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
在增量学习时，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。在增量学习时，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4-11行展示了如何在fine_tune训练模式下，将预训练模型加载入net(MobileNetV2)；在incremental_learn训练模式下，将预训练模型分别加载入backbone_net子网络，并且冻结backbone_net中的参数，不参与训练。代码第22-24行展示了如何冻结网络参数。
1: backbone_net, head_net, net = define_net(args_opt, config)
2: ...
3: def define_net(args, config):
4: backbone_net = MobileNetV2Backbone(platform=args.platform)
5: head_net = MobileNetV2Head(input_channel=backbone_net.out_channels, num_classes=config.num_classes)
6: net = mobilenet_v2(backbone_net, head_net)
7: if args.pretrain_ckpt:
8: if args.train_method == "fine_tune":
9: load_ckpt(net, args.pretrain_ckpt)
10: elif args.train_method == "incremental_learn":
11: load_ckpt(backbone_net, args.pretrain_ckpt, trainable=False)
12: elif args.train_method == "train":
13: pass
14: else:
15: raise ValueError("must input the usage of pretrain_ckpt when the pretrain_ckpt isn't None")
16: return backbone_net, head_net, net
17: ...
18: def load_ckpt(network, pretrain_ckpt_path, trainable=True):
19: """load the pretrain checkpoint and with the param trainable or not"""
20: param_dict = load_checkpoint(pretrain_ckpt_path)
21: load_param_into_net(network, param_dict)
22: if not trainable:
23: for param in network.get_parameters():
24: 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dataset_path、platform、train_method与pretrain_ckpt四个参数。验证时，运行eval.py并且传入dataset_path、platform、pretrain_ckpt与head_ckpt四个参数。
# Windows/Linux train with Python file
python train.py --platform [PLATFORM] --dataset_path [DATASET_PATH] --train_method[("train", "fine_tune", "incremental_learn")] --pretrain_ckpt [PRETRAIN_CHECKPOINT_PATH]
# Windows/Linux eval with Python file
python eval.py --platform [PLATFORM] --dataset_path [DATASET_PATH] --pretrain_ckpt [PRETRAIN_CHECKPOINT_PATH] --head_ckpt [HEAD_CHECKPOINT_PATH]
--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”。--train_method：训练方法，必须输入“train”、”fine_tune”和incremental_learn”其中一个。--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。--head_ckpt：增量训练模型验证时，需要传入head_net预训练模型路径以加载预训练好的模型参数权重。
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] [TRAIN_METHOD] [CKPT_PATH]
# Linux eval with Shell script for incremental learn
sh run_eval.sh [PLATFORM] [DATASET_PATH] [PRETRAIN_CKPT_PATH] [HEAD_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。[TRAIN_METHOD]：训练方法，必须输入train、fine_tune和incremental_learn其中一个。[PRETRAIN_CKPT_PATH]：针对增量学习的模型做验证时，需要输入主干网络层保存模型路径。[HEAD_CKPT_PATH]：针对增量学习的模型做验证时，需要输入全连接层保存模型路径。
加载增量学习训练
Windows系统上，MobileNetV2做增量学习训练时，只能运行train.py。Linux系统上，使用MobileNetV2做增量学习训练时，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。 增量学习成功开始训练，./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 --platform CPU --dataset_path [TRAIN_DATASET_PATH] -- train_method incremental_learn --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt
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 [TRAIN_DATASET_PATH] incremental_learn ../pretrain_checkpoint/mobilenetV2.ckpt
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 --platform GPU --dataset_path [TRAIN_DATASET_PATH] --train_method incremental_learn --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint/mobilenetV2.ckpt
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 [TRAIN_DATASET_PATH] incremental_learn ../pretrain_checkpoint/mobilenetV2.ckpt
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 [TRAIN_DATASET_PATH] incremental_learn ../pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt
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 --platform Ascend --dataset_path [TRAIN_DATASET_PATH] --train_method incremental_learn --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint mobilenetv2.ckpt
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] incremental_learn ../pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt
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] incremental_learn ../pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt
增量学习训练结果
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/device0/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.ckpt', train_method='incremental_learn') 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': './checkpoint', \ '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 checkpoint 2020//0814 11:20 267,727 mobilenetv2_head_1.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_head_10.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_head_11.ckpt ... 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_head_7.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_head_8.ckpt 2020//0814 11:21 267,727 mobilenetv2_head_9.ckpt
Linux上使用
ls ./checkpoint查看保存的模型文件：ls ./checkpoint/ mobilenetv2_head_1.ckpt mobilenetv2_head_2.ckpt mobilenetv2_head_3.ckpt mobilenetv2_head_4.ckpt ...
验证增量学习训练模型
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 --platform CPU --dataset_path [VAL_DATASET_PATH] --pretrain_ckpt ./pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt --head_ckpt ./checkpoint/mobilenetv2_head_15.ckpt
# Linux with Shell
sh run_eval.sh CPU [VAL_DATASET_PATH] ../pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt ../checkpoint/mobilenetv2_head_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 = ./pretrain_checkpoint/mobilenetv2.ckpt
head_ckpt = ./checkpoint/mobilenetv2_head_15.ckpt