ResNet50网络进行图像分类
图像分类是最基础的计算机视觉应用，属于有监督学习类别，如给定一张图像(猫、狗、飞机、汽车等等)，判断图像所属的类别。本章将介绍使用ResNet50网络对CIFAR-10数据集进行分类。
ResNet网络介绍
ResNet50网络是2015年由微软实验室的何恺明提出，获得ILSVRC2015图像分类竞赛第一名。在ResNet网络提出之前，传统的卷积神经网络都是将一系列的卷积层和池化层堆叠得到的，但当网络堆叠到一定深度时，就会出现退化问题。下图是在CIFAR-10数据集上使用56层网络与20层网络训练误差和测试误差图，由图中数据可以看出，56层网络比20层网络训练误差和测试误差更大，随着网络的加深，其误差并没有如预想的一样减小。
ResNet网络提出了残差网络结构(Residual Network)来减轻退化问题，使用ResNet网络可以实现搭建较深的网络结构（突破1000层）。论文中使用ResNet网络在CIFAR-10数据集上的训练误差与测试误差图如下图所示，图中虚线表示训练误差，实线表示测试误差。由图中数据可以看出，ResNet网络层数越深，其训练误差和测试误差越小。
了解ResNet网络更多详细内容，参见ResNet论文。
数据集准备与加载
CIFAR-10数据集共有60000张32*32的彩色图像，分为10个类别，每类有6000张图，数据集一共有50000张训练图片和10000张评估图片。如下示例使用mindvision.classification.dataset.Cifar10接口下载并加载CIFAR-10数据集。
[1]:
from mindvision.classification.dataset import Cifar10
# 数据集根目录
data_dir = "./datasets"
# 下载解压并加载CIFAR-10训练数据集
dataset_train = Cifar10(path=data_dir, split='train', batch_size=6, resize=32, download=True)
ds_train = dataset_train.run()
step_size = ds_train.get_dataset_size()
# 下载解压并加载CIFAR-10测试数据集
dataset_val = Cifar10(path=data_dir, split='test', batch_size=6, resize=32, download=True)
ds_val = dataset_val.run()
CIFAR-10数据集文件的目录结构如下：
datasets/
├── cifar-10-batches-py
│ ├── batches.meta
│ ├── data_batch_1
│ ├── data_batch_2
│ ├── data_batch_3
│ ├── data_batch_4
│ ├── data_batch_5
│ ├── readme.html
│ └── test_batch
└── cifar-10-python.tar.gz
对CIFAR-10训练数据集进行可视化。
[2]:
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data = next(ds_train.create_dict_iterator())
images = data["image"].asnumpy()
labels = data["label"].asnumpy()
print(f"Image shape: {images.shape}, Label: {labels}")
plt.figure()
for i in range(1, 7):
plt.subplot(2, 3, i)
image_trans = np.transpose(images[i - 1], (1, 2, 0))
mean = np.array([0.4914, 0.4822, 0.4465])
std = np.array([0.2023, 0.1994, 0.2010])
image_trans = std * image_trans + mean
image_trans = np.clip(image_trans, 0, 1)
plt.title(f"{dataset_train.index2label[labels[i - 1]]}")
plt.imshow(image_trans)
plt.axis("off")
plt.show()
Image shape: (6, 3, 32, 32), Label: [6 4 4 5 2 1]
构建网络
残差网络结构(Residual Network)是ResNet网络的主要亮点，ResNet使用残差网络结构后可有效地减轻退化问题，实现更深的网络结构设计，提高网络的训练精度。本节首先讲述如何构建残差网络结构，然后通过堆叠残差网络来构建ResNet50网络。
构建残差网络结构
残差网络结构图如下图所示，残差网络由两个分支构成：一个主分支，一个shortcuts（图中弧线表示）。主分支通过堆叠一系列的卷积操作得到，shotcuts从输入直接到输出，主分支输出的特征矩阵\(F(x)\)加上shortcuts输出的特征矩阵\(x\)得到\(F(x)+x\)，通过Relu激活函数后即为残差网络最后的输出。
残差网络结构主要由两种，一种是Building Block，适用于较浅的ResNet网络，如ResNet18和ResNet34；另一种是Bottleneck，适用于层数较深的ResNet网络，如ResNet50、ResNet101和ResNet152。
Building Block
Building Block结构图如下图所示，主分支有两层卷积网络结构：
主分支第一层网络以输入channel为64为例，首先通过一个\(3\times3\)的卷积层，然后通过Batch Normalization层，最后通过Relu激活函数层，输出channel为64；
主分支第二层网络的输入channel为64，首先通过一个\(3\times3\)的卷积层，然后通过Batch Normalization层，输出channel为64。
最后将主分支输出的特征矩阵与shortcuts输出的特征矩阵相加，通过Relu激活函数即为Building Block最后的输出。
主分支与shortcuts输出的特征矩阵相加时，需要保证主分支与shortcuts输出的特征矩阵shape相同。如果主分支与shortcuts输出的特征矩阵shape不相同，如输出channel是输入channel的一倍时，shortcuts上需要使用数量与输出channel相等，大小为\(1\times1\)的卷积核进行卷积操作；若输出的图像较输入图像缩小一倍，则要设置shortcuts中卷积操作中的stride为2，主分支第一层卷积操作的stride也需设置为2。
如下代码定义ResidualBlockBase类实现Building Block结构。
[3]:
from typing import Type, Union, List, Optional
from mindvision.classification.models.blocks import ConvNormActivation
from mindspore import nn
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:
norm = nn.BatchNorm2d
self.conv1 = ConvNormActivation(in_channel, out_channel,
kernel_size=3, stride=stride, norm=norm)
self.conv2 = ConvNormActivation(out_channel, out_channel,
kernel_size=3, norm=norm, activation=None)
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.conv2(out) # 主分支第二层：3*3卷积层
if self.down_sample:
identity = self.down_sample(x)
out += identity # 输出为主分支与shortcuts之和
out = self.relu(out)
return out
Bottleneck
Bottleneck结构图如下图所示，在输入相同的情况下Bottleneck结构相对Building Block结构的参数数量更少，更适合层数较深的网络，ResNet50使用的残差结构就是Bottleneck。该结构的主分支有三层卷积结构，分别为\(1\times1\)的卷积层、\(3\times3\)卷积层和\(1\times1\)的卷积层，其中\(1\times1\)的卷积层分别起降维和升维的作用。
主分支第一层网络以输入channel为256为例，首先通过数量为64，大小为\(1\times1\)的卷积核进行降维，然后通过Batch Normalization层，最后通过Relu激活函数层，其输出channel为64；
主分支第二层网络通过数量为64，大小为\(3\times3\)的卷积核提取特征，然后通过Batch Normalization层，最后通过Relu激活函数层，其输出channel为64；
主分支第三层通过数量为256，大小\(1\times1\)的卷积核进行升维，然后通过Batch Normalization层，其输出channel为256。
最后将主分支输出的特征矩阵与shortcuts输出的特征矩阵相加，通过Relu激活函数即为Bottleneck最后的输出。
主分支与shortcuts输出的特征矩阵相加时，需要保证主分支与shortcuts输出的特征矩阵shape相同。如果主分支与shortcuts输出的特征矩阵shape不相同，如输出channel是输入channel的一倍时，shortcuts上需要使用数量与输出channel相等，大小为\(1\times1\)的卷积核进行卷积操作；若输出的图像较输入图像缩小一倍，则要设置shortcuts中卷积操作中的stride为2，主分支第二层卷积操作的stride也需设置为2。
如下代码定义ResidualBlock类实现Bottleneck结构。
[4]:
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, norm: Optional[nn.Cell] = None,
down_sample: Optional[nn.Cell] = None) -> None:
super(ResidualBlock, self).__init__()
if not norm:
norm = nn.BatchNorm2d
self.conv1 = ConvNormActivation(in_channel, out_channel,
kernel_size=1, norm=norm)
self.conv2 = ConvNormActivation(out_channel, out_channel,
kernel_size=3, stride=stride, norm=norm)
self.conv3 = ConvNormActivation(out_channel, out_channel * self.expansion,
kernel_size=1, norm=norm, activation=None)
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.conv2(out) # 主分支第二层：3*3卷积层
out = self.conv3(out) # 主分支第三层：1*1卷积层
if self.down_sample:
identity = self.down_sample(x)
out += identity # 输出为主分支与shortcuts之和
out = self.relu(out)
return out
构建ResNet50网络
ResNet网络层结构如下图所示，以输入彩色图像\(224\times224\)为例，首先通过数量64，卷积核大小为\(7\times7\)，stride为2的卷积层conv1，该层输出图片大小为\(112\times112\)，输出channel为64；然后通过一个\(3\times3\)的最大下采样池化层，该层输出图片大小为\(56\times56\)，输出channel为64；再堆叠4个残差网络块（conv2_x、conv3_x、conv4_x和conv5_x），此时输出图片大小为\(7\times7\)，输出channel为2048；最后通过一个平均池化层、全连接层和softmax，得到分类概率。
对于每个残差网络块，以ResNet50网络中的conv2_x为例，其由3个Bottleneck结构堆叠而成，每个Bottleneck输入的channel为64，输出channel为256。
如下示例定义make_layer实现残差块的构建，其参数如下所示:
last_out_channel：上一个残差网络输出的通道数。block：残差网络的类别，分别为ResidualBlockBase和ResidualBlock。channel：残差网络输入的通道数。block_nums：残差网络块堆叠的个数。stride：卷积移动的步幅。
[5]:
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 = ConvNormActivation(last_out_channel, channel * block.expansion,
kernel_size=1, stride=stride, norm=nn.BatchNorm2d, activation=None)
layers = []
layers.append(block(last_out_channel, channel, stride=stride, down_sample=down_sample, norm=nn.BatchNorm2d))
in_channel = channel * block.expansion
# 堆叠残差网络
for _ in range(1, block_nums):
layers.append(block(in_channel, channel, norm=nn.BatchNorm2d))
return nn.SequentialCell(layers)
ResNet50网络共有5个卷积结构，一个平均池化层，一个全连接层，以CIFAR-10数据集为例：
conv1：输入图片大小为\(32\times32\)，输入channel为3。首先经过一个卷积核数量为64，卷积核大小为\(7\times7\)，stride为2的卷积层；然后通过一个Batch Normalization层；最后通过ReLu激活函数。该层输出feature map大小为\(16\times16\)，输出channel为64。
conv2_x：输入feature map大小为\(16\times16\)，输入channel为64。首先经过一个卷积核大小为\(3\times3\)，stride为2的最大下采样池化操作；然后堆叠3个\([1\times1，64；3\times3，64；1\times1，256]\)结构的Bottleneck。该层输出feature map大小为\(8\times8\)，输出channel为256。
conv3_x：输入feature map大小为\(8\times8\)，输入channel为256。该层堆叠4个[1×1，128；3×3，128；1×1，512]结构的Bottleneck。该层输出feature map大小为\(4\times4\)，输出channel为512。
conv4_x：输入feature map大小为\(4\times4\)，输入channel为512。该层堆叠6个[1×1，256；3×3，256；1×1，1024]结构的Bottleneck。该层输出feature map大小为\(2\times2\)，输出channel为1024。
conv5_x：输入feature map大小为\(2\times2\)，输入channel为1024。该层堆叠3个[1×1，512；3×3，512；1×1，2048]结构的Bottleneck。该层输出feature map大小为\(1\times1\)，输出channel为2048。
average pool & fc：输入channel为2048，输出channel为分类的类别数。
如下示例代码实现ResNet50模型的构建，通过用调函数resnet50即可构建ResNet50模型，函数resnet50参数如下：
num_classes：分类的类别数，默认类别数为1000。pretrained：下载对应的训练模型，并加载预训练模型中的参数到网络中。
[6]:
from mindvision.classification.models.classifiers import BaseClassifier
from mindvision.classification.models.head import DenseHead
from mindvision.classification.models.neck import GlobalAvgPooling
from mindvision.classification.utils.model_urls import model_urls
from mindvision.utils.load_pretrained_model import LoadPretrainedModel
class ResNet(nn.Cell):
def __init__(self, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
layer_nums: List[int], norm: Optional[nn.Cell] = None) -> None:
super(ResNet, self).__init__()
if not norm:
norm = nn.BatchNorm2d
# 第一个卷积层，输入channel为3（彩色图像），输出channel为64
self.conv1 = ConvNormActivation(3, 64, kernel_size=7, stride=2, norm=norm)
# 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)
def construct(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.max_pool(x)
x = self.layer1(x)
x = self.layer2(x)
x = self.layer3(x)
x = self.layer4(x)
return x
def _resnet(arch: str, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
layers: List[int], num_classes: int, pretrained: bool, input_channel: int):
backbone = ResNet(block, layers)
neck = GlobalAvgPooling() # 平均池化层
head = DenseHead(input_channel=input_channel, num_classes=num_classes) # 全连接层
model = BaseClassifier(backbone, neck, head) # 将backbone层、neck层和head层连接起来
if pretrained:
# 下载并加载预训练模型
LoadPretrainedModel(model, model_urls[arch]).run()
return model
def resnet50(num_classes: int = 1000, pretrained: bool = False):
"ResNet50模型"
return _resnet("resnet50", ResidualBlock, [3, 4, 6, 3], num_classes, pretrained, 2048)
模型训练与评估
本节使用ResNet50预训练模型进行微调。调用resnet50构造ResNet50模型，并设置pretrained参数为True，将会自动下载ResNet50预训练模型，并加载预训练模型中的参数到网络中。然后定义优化器和损失函数，通过model.train接口对网络进行训练，将MindSpore
Vision中的mindvision.engine.callback.ValAccMonitor接口传入回调函数中，将会打印训练的损失值和评估精度，并保存评估精度最高的ckpt文件（best.ckpt）到当前目录下。
[ ]:
from mindspore.train import Model
from mindvision.engine.callback import ValAccMonitor
# 定义ResNet50网络
network = resnet50(pretrained=True)
# 全连接层输入层的大小
in_channel = network.head.dense.in_channels
head = DenseHead(input_channel=in_channel, num_classes=10)
# 重置全连接层
network.head = head
# 设置学习率
num_epochs = 40
lr = nn.cosine_decay_lr(min_lr=0.00001, max_lr=0.001, total_step=step_size * num_epochs,
step_per_epoch=step_size, decay_epoch=num_epochs)
# 定义优化器和损失函数
opt = nn.Momentum(params=network.trainable_params(), learning_rate=lr, momentum=0.9)
loss = nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction='mean')
# 实例化模型
model = Model(network, loss, opt, metrics={"Accuracy": nn.Accuracy()})
# 模型训练
model.train(num_epochs, ds_train, callbacks=[ValAccMonitor(model, ds_val, num_epochs)])
--------------------
Epoch: [ 0 / 40], Train Loss: [2.733], Accuracy: 0.274
--------------------
Epoch: [ 1 / 40], Train Loss: [2.877], Accuracy: 0.319
--------------------
Epoch: [ 2 / 40], Train Loss: [2.438], Accuracy: 0.249
--------------------
Epoch: [ 3 / 40], Train Loss: [1.532], Accuracy: 0.386
······
Epoch: [ 37 / 40], Train Loss: [1.142], Accuracy: 0.738
--------------------
Epoch: [ 38 / 40], Train Loss: [0.402], Accuracy: 0.727
--------------------
Epoch: [ 39 / 40], Train Loss: [2.031], Accuracy: 0.735
--------------------
Epoch: [ 40 / 40], Train Loss: [0.582], Accuracy: 0.745
================================================================================
End of validation the best Accuracy is: 0.754, save the best ckpt file in ./best.ckpt
可视化模型预测
定义visualize_model函数，使用上述验证精度最高的模型对CIFAR-10测试数据集进行预测，并将预测结果可视化。若预测字体颜色为蓝色表示为预测正确，预测字体颜色为红色则表示预测错误。
[9]:
import matplotlib.pyplot as plt
from mindspore import Tensor
from mindspore import load_checkpoint, load_param_into_net
def visualize_model(best_ckpt_path, val_ds):
num_class = 10
net = resnet50(num_class)
# 加载模型参数
param_dict = load_checkpoint(best_ckpt_path)
load_param_into_net(net, param_dict)
model = 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()
# 预测图像类别
output = model.predict(Tensor(data['image']))
pred = np.argmax(output.asnumpy(), axis=1)
# 显示图像及图像的预测值
plt.figure()
for i in range(1, 7):
plt.subplot(2, 3, i)
# 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 - 1] == labels[i - 1] else 'red'
plt.title('predict:{}'.format(dataset_val.index2label[pred[i - 1]]), color=color)
picture_show = np.transpose(images[i - 1], (1, 2, 0))
mean = np.array([0.4914, 0.4822, 0.4465])
std = np.array([0.2023, 0.1994, 0.2010])
picture_show = std * picture_show + mean
picture_show = np.clip(picture_show, 0, 1)
plt.imshow(picture_show)
plt.axis('off')
plt.show()
# 使用测试数据集进行验证
visualize_model('best.ckpt', ds_val)
