pytorch实现性别检测

卷积神经网络的训练是耗时的，很多场合不可能每次都从随机初始化参数开始训练网络。

 

1.训练

pytorch中自带几种常用的深度学习网络预训练模型，如VGG、ResNet等。往往为了加快学习的进度，在训练的初期我们直接加载pre-train模型中预先训练好的参数，所以这里使用的网络是：

torchvision.models.Resnet34(pretrained=True)

然后更改其最后的全连接层。因为resnet网络最后一层分类层fc是对1000种类型进行划分，对于自己的数据集，这里进行的是性别检测，只有男/女2类，所以修改的代码为：

#提取fc层中固定的参数
fc_features = model.fc.in_features
#修改类别为2
model.fc = nn.Linear(fc_features, )

在网上看见一些教程仅对最后一层全连接层的参数进行训练，所以他们的设定为：

#冻结参数，不训练卷积层网络
for param in model_conv.parameters():
    param.requires_grad = False

然后下面就是定义你使用的损失函数，优化器和学习率调整的算法：

注意在这里可以看见优化器中输入的参数为model_conv.fc.parameters()，即仅对全连接层fc的参数进行调参

#定义使用的损失函数为交叉熵代价函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
#定义使用的优化器
optimizer_conv = optim.SGD(model_conv.fc.parameters(), lr=0.0001, momentum=0.9)
#设置自动递减的学习率,等间隔调整学习率,即在25个step时，将学习率调整为 lr*gamma
exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=, gamma=0.1)

但是我训练过程发现这样做的效果不是很好，我还是对整个网络的参数都进行了训练，所以我没有进行冻结参数的设定，同时使用的算法中传入的参数是model_conv.parameters()

这样得到的最好训练结果是：

train Loss: 0.1020 Acc: 0.9617
val Loss: 0.0622 Acc: 0.9820
Training complete in 336m 56s
Best val Acc: 0.982000 

可见其实还没有训练完，还是欠拟合的状态

⚠️补充知识：optimizer.step()和scheduler.step()的区别：
optimizer.step()通常用在每个mini-batch之中，而scheduler.step()通常用在epoch里面,但是不绝对，可以根据具体的需求来做。只有用了optimizer.step()，模型才会更新，而scheduler.step()是对lr进行调整。

然后后面我调了一下优化器，从momentum改成了Adam，并将学习率的调整step_size更改为20，让其一开始能更快收敛:

#定义的优化器
optimizer_conv = optim.Adam(model_conv.parameters(), lr=0.0001, betas=(0.9, 0.99))
#设置自动递减的学习率,等间隔调整学习率,即在20个step时，将学习率调整为 lr*gamma
exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=, gamma=0.1)

运行结果优化为：

train Loss: 0.0668 Acc: 0.9725
val Loss: 0.0630 Acc: 0.9820
Training complete in 385m 42s
Best val Acc: 0.986000

可见效果好了一点，但是还是没能训练完，之后又对代码进行了更改，将step_size调节得更大，使得一开始能够收敛得快一些，以免后面的学习率过小后一直收敛不下去：

optimizer_conv = optim.Adam(model_conv.parameters(), lr=0.0001, betas=(0.9, 0.99))
#设置自动递减的学习率,等间隔调整学习率,即在45个step时，将学习率调整为 lr*gamma
exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=, gamma=0.1)

判断的代码也进行了更改，不再是以最高的val acc作为最优参数的选择，而是选择train acc最高且train acc大于val acc的训练参数：

            # deep copy the model
            # 对模型进行深度复制

            if phase == 'train' and epoch_acc > best_train_acc:
                temp = epoch_acc
            if phase =='val' and epoch_acc >  and epoch_acc < temp:
                best_train_acc = temp
                best_val_acc = epoch_acc
                best_iteration = epoch
                best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())

这样的返回值果然更好了一点：

Training complete in 500m 10s
Best epoch: 166.000000
Best train Acc: 0.985175
Best val Acc: 0.984000

代码运行过程中出现了错误：

RuntimeError: Input type (torch.cuda.FloatTensor) and weight type (torch.FloatTensor) should be the same 

这个的解决办法是为model_conv也添加.to(device)：

model_conv.to(device)

另一个错误是：

RuntimeError: Expected object of backend CPU but got backend CUDA for argument # 'mat1' 

觉得原因可能是因为我的机器上面只有一个cuda，所以要显示指明使用的是'cuda:0'：

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

或者是因为一开始我将model_conv.to(device)写错了位置，写到了model_conv.fc = nn.Linear(fc_features, 2)之前，写到其后面即可

所以最后的训练代码为：

# coding:utf8
from torchvision import datasets, models
from torch import nn, optim
from torchvision import transforms as T
from torch.utils import data

import os
import copy
import time
import torch

#首先进行数据的处理
data_dir = './data'
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

#转换图片数据
normalize = T.Normalize([0.485, 0.456, 0.406],[0.229, 0.224, 0.225])
data_transforms ={
    'train': T.Compose([
        T.RandomResizedCrop(),#从图片中心截取
                T.RandomHorizontalFlip(),#随机水平翻转给定的PIL.Image,翻转概率为0.
        T.ToTensor(),#转成Tensor格式，大小范围为[,]
        normalize
    ]),

    'val': T.Compose([
        T.Resize(),#重新设定大小
        T.CenterCrop(),
        T.ToTensor(),
        normalize
    ]),
}

#加载图片
#man的label为0, woman的label为1
image_datasets = {x : datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x), data_transforms[x]) for x in ['train', 'val']}

#得到train和val中的数据量
dataset_sizes = {x : len(image_datasets[x].imgs) for x in ['train', 'val']}
dataloaders = {x : data.DataLoader(image_datasets[x], batch_size=, shuffle=True,num_workers=) for x in ['train', 'val']}

#然后选择使用的模型
model_conv = models.resnet34(pretrained=True)
#冻结参数，不训练卷积层网络
#for param in model_conv.parameters():
#    param.requires_grad = False

#提取fc全连接层中固定的参数，后面的训练只对全连接层的参数进行优化
fc_features = model_conv.fc.in_features
#修改类别为2,即man和woman
model_conv.fc = nn.Linear(fc_features, )
model_conv.to(device)
#定义使用的损失函数为交叉熵代价函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
#定义使用的优化器
#optimizer_conv = optim.SGD(model_conv.fc.parameters(), lr=0.0001, momentum=0.9)
#optimizer_conv = optim.SGD(model_conv.parameters(), lr=0.0001, momentum=0.9)
optimizer_conv = optim.Adam(model_conv.parameters(), lr=0.0001, betas=(0.9, 0.99))
#设置自动递减的学习率,等间隔调整学习率,即在7个step时，将学习率调整为 lr*gamma
exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=, gamma=0.1)
#exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer_conv, mode='min', verbose=True)

# 训练模型
# 参数说明：
# model:待训练的模型
# criterion：评价函数
# optimizer：优化器
# scheduler：学习率
# num_epochs：表示实现完整训练的次数，一个epoch表示一整個训练周期
def train_model(model, criterion, optimizer, scheduler, num_epochs=):
    # 定义训练开始时间
    since = time.time()
    #用于保存最优的权重
    best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())
    #最优精度值
    best_train_acc = 0.0
    best_val_acc = 0.0
    best_iteration = 

    # # meters,统计指标：平滑处理之后的损失，还有混淆矩阵
    # loss_meter = meter.AverageValueMeter()#能够计算所有数的平均值和标准差，用来统计一个epoch中损失的平均值
    # confusion_matrix = meter.ConfusionMeter()#用来统计分类问题中的分类情况，是一个比准确率更详细的统计指标

    # 对整个数据集进行num_epochs次训练
    for epoch in range(num_epochs):
        print('Epoch {}/{}'.format(epoch, num_epochs - ))
        print('-' * )

        #用于存储train acc还没有与val acc比较之前的值
        temp =
        # Each epoch has a training and validation phase
        # 每轮训练训练包含`train`和`val`的数据
        for phase in ['train', 'val']:
            if phase == 'train':
                # 学习率步进
                scheduler.step()
                # 设置模型的模式为训练模式（因为在预测模式下，采用了`Dropout`方法的模型会关闭部分神经元）
                model.train()  # Set model to training mode
            else:
            # 预测模式
                model.eval()   # Set model to evaluate mode

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 

            # Iterate over data.
            # 遍历数据，这里的`dataloaders`近似于一个迭代器，每一次迭代都生成一批`inputs`和`labels`数据,
            # 一批有四个图片，一共有dataset_sizes['train']/4或dataset_sizes['val']/4批
            # 这里循环几次就看有几批数据
            for inputs, labels in dataloaders[phase]:
                inputs = inputs.to(device)   # 当前批次的训练输入
                labels = labels.to(device)  # 当前批次的标签输入
                # print('input : ', inputs)
                # print('labels : ', labels)

                # 将梯度参数归0
                optimizer.zero_grad()

                # 前向计算
                # track history if only in train
                with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):
                    # 相应输入对应的输出
                    outputs = model(inputs)
                    # print('outputs : ', outputs)
                    # 取输出的最大值作为预测值preds,dim=,得到每行中的最大值的位置索引，用来判别其为0或1
                    _, preds = torch.max(outputs, )
                    # print('preds : ', preds)
                    # 计算预测的输出与实际的标签之间的误差
                    loss = criterion(outputs, labels)
                    # backward + optimize only if in training phase
                    if phase == 'train':
                    # 对误差进行反向传播
                        loss.backward()
                        #scheduler.step(loss) #当使用的学习率递减函数为optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau时，使用在这里
                        # 执行优化器对梯度进行优化
                        optimizer.step()

                        # loss_meter.add(loss.item())
                        # confusion_matrix.add(outputs.detach(), labels.detach()) 

                # statistics
                # 计算`running_loss`和`running_corrects`
                #loss.item()得到的是此时损失loss的值
                #inputs.size()得到的是一批图片的数量，这里为4
                #两者相乘得到的是4张图片的总损失
                #叠加得到所有数据的损失
                running_loss += loss.item() * inputs.size()
                #torch.sum(preds == labels.data)判断得到的结果中有几个正确，running_corrects得到四个中正确的个数
                #叠加得到所有数据中判断成功的个数
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)

        # 当前轮的损失,除以所有数据量个数得到平均loss值
            epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
            # 当前轮的精度，除以所有数据量个数得到平均准确度
            epoch_acc = running_corrects.double() / dataset_sizes[phase]

            print('{} Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(phase, epoch_loss, epoch_acc))

            # deep copy the model
            # 对模型进行深度复制
            if phase == 'train' and epoch_acc > best_train_acc:
                temp = epoch_acc
            if phase =='val' and epoch_acc >  and epoch_acc < temp:
                best_train_acc = temp
                best_val_acc = epoch_acc
                best_iteration = epoch
                best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())

    # 计算训练所需要的总时间
    time_elapsed = time.time() - since
    print('Training complete in {:.0f}m {:.0f}s'.format(time_elapsed // 60, time_elapsed % 60))
    print('Best epoch: {:4f}'.format(best_iteration))
    print('Best train Acc: {:4f}'.format(best_train_acc))
    print('Best val Acc: {:4f}'.format(best_val_acc))

    # load best model weights
    # 加载模型的最优权重
    model.load_state_dict(best_model_wts)
    return model

if __name__ == '__main__':
    model_train = train_model(model_conv, criterion, optimizer_conv, exp_lr_scheduler)
    torch.save(model_train, 'GenderTest.pkl')

 

2.测试

使用上面生成的GenderTest.pkl进行测试：

测试数据集dataset_test.py的设计为：

# coding:utf8
import os
from torchvision import transforms as T
from PIL import Image
from torch.utils import data

class GenderData(data.Dataset):
    def __init__(self, root, transforms=None):
        #将图片路径存储在imgs列表中
        imgs = [os.path.join(root, img) for img in os.listdir(root)]

        self.imgs = imgs
        if transforms is None:
            #设置对数据进行转换的transform
            normalize = T.Normalize([0.485, 0.456, 0.406],[0.229, 0.224, 0.225])
            self.transforms = T.Compose([
                T.Resize(),
                T.CenterCrop(),
                T.ToTensor(),
                normalize
                ])

    def __getitem__(self, index):
        img_path = self.imgs[index]
        #得到图片数据
        data = Image.open(img_path)
        #对数据进行转换
        data = self.transforms(data)
        return data

    def __len__(self):
        return len(self.imgs)

测试代码test.py为：

# coding:utf8
import visdom
from datasets_test import GenderData
from torch.utils import data
from torchvision.utils import make_grid
import torch

def visualize(data, preds):
    viz = visdom.Visdom(env='main')
    # print(data.size()) #一开始的大小为torch.Size([, , , ])
    out = make_grid(data) #这样得到的输出的数据就是将四张图合成了一张图的大小，为
    # print(out.size()) #torch.Size([, , ])
    #因为反标准化时需要将图片的维度从（channels,imgsize,imgsieze)变成（imgsize,imgsieze,channels)，这样才能与下面的std,mean正确计算
    inp = torch.transpose(out, , )
    # print(inp.size()) #返回torch.Size([, , ])
    mean = torch.FloatTensor([0.485, 0.456, 0.406])
    std = torch.FloatTensor([0.229, 0.224, 0.225])
    inp = std * inp + mean
    #计算完后还是要将维度变回来，所以再进行一次转换
    inp = torch.transpose(inp, , )
    # print(inp.size()) #返回torch.Size([, , ])

    #注意，这里是因为设置了batch_size为四，所以title中才这样，如果你的batch_size不是4这里需要做一些更改
    viz.images(inp, opts=dict(title='{},{},{},{}'.format(preds[].item(), preds[].item(), preds[].item(), preds[].item())))
    #比如下面这个就是将batch_size改成1的结果
    # viz.images(inp, opts=dict(title='{}'.format(preds[].item())))

def self_dataset():
    data_test_root = './data/test1' #测试数据集所在的路径
    test_data = GenderData(data_test_root)
    #如果只测试一张图片，这里batch_size要改成1
    dataloaders = data.DataLoader(test_data, batch_size= ,shuffle=True,num_workers=)
    for inputs in dataloaders:
        inputs = inputs.to(device)   # 当前批次的训练输入
        outputs = model_test(inputs)
        _, preds = torch.max(outputs, )
        visualize(inputs,preds)

if __name__ == '__main__':
    device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    print(device)

    #导入上面训练得到的效果最佳的网络，因为测试是在只有cpu的机器上跑的，所以这里要添加map_location='cpu'
    model_test = torch.load('./GenderTest.pkl',map_location='cpu')
    #如果你是在有GPU的机器上跑的，可以删掉map_location='cpu'，并添加一行
    #model_test.to(device)
    model_test.eval()

    dataloaders = self_dataset()

要将visdom打开：

python -m visdom.server

然后运行：

python test.py

即可以在visdom中看见结果,如下面的图片被判断为女生，右上角显示1:

当然，这其实是国荣哥的剧照，只能说天生丽质的，应该不是我训练的效果问题

测试时出现一个问题：

OSError: cannot identify image file './data/test/.DS_Store'

这是因为mac系统中会自动生成一个.DS_Store隐藏文件，这里保存着针对这个目录的特殊信息和设置配置，例如查看方式、图标大小以及这个目录的一些附属元数据

而当我们想要打开图片的时候它会被当作一个图片文件路径加载，进而报错，因为它并不是一个图片文件，解决办法是在该图片文件夹下输入删除命令：

sudo find / -name ".DS_Store" -depth -exec rm {} \;

或者更简单的方法是到图片文件夹处直接运行：

rm .DS_Store

后面换成使用resnet18也能达到相近的效果，大家可以试试