Pytorch实现基于卷积神经网络的面部表情识别(详细步骤)

文章目录
　　一、项目背景
　　二、数据处理
　　　　1、标签与特征分离
　　　　2、数据可视化
　　　　3、训练集和测试集
　　三、模型搭建
　　四、模型训练
　　五、完整代码

一、项目背景
数据集cnn_train.csv包含人类面部表情的图片的label和feature。在这里，面部表情识别相当于一个分类问题，共有7个类别。
其中label包括7种类型表情：

一共有28709个label，说明包含了28709张表情包嘿嘿。
每一行就是一张表情包48*48=2304个像素，相当于4848个灰度值(intensity)(0为黑, 255为白)

二、数据处理
　　1、标签与特征分离
　　　　这一步为了后面方便读取数据集，对原数据进行处理，分离后分别保存为cnn_label.csv和cnn_data.csv.

# cnn_feature_label.py 将label和像素数据分离
import pandas as pd

path = 'cnn_train.csv'# 原数据路径
# 读取数据
df = pd.read_csv(path)
# 提取label数据
df_y = df[['label']]
# 提取feature（即像素）数据
df_x = df[['feature']]
# 将label写入label.csv
df_y.to_csv('cnn_label.csv', index=False, header=False)
# 将feature数据写入data.csv
df_x.to_csv('cnn_data.csv', index=False, header=False)

执行之后生成结果文件：

　　2、数据可视化
　　　　完成与标签分离后，下一步我们对特征进一步处理，也就是将每个数据行的2304个像素值合成每张48*48的表情图。

# face_view.py 数据可视化
import cv2
import numpy as np

# 指定存放图片的路径
path = './/face'
# 读取像素数据
data = np.loadtxt('cnn_data.csv')

# 按行取数据
for i in range(data.shape[0]):
　　face_array = data[i, :].reshape((48, 48)) # reshape
　　cv2.imwrite(path + '//' + '{}.jpg'.format(i), face_array) # 写图片

这段代码将写入28709张表情图，执行需要一小段时间。
结果如下：

　　3、训练集和测试集
第一步，我们要训练模型，需要划分一下训练集和验证集。一共有28709张图片，我取前24000张图片作为训练集，其他图片作为验证集。新建文件夹cnn_train和cnn_val，将0.jpg到23999.jpg放进文件夹cnn_train，将其他图片放进文件夹cnn_val。
第二步，对每张图片标记属于哪一个类别，存放在dataset.csv中，分别在刚刚训练集和测试集执行标记任务。

# cnn_picture_label.py 表情图片和类别标注
import os
import pandas as pd

def data_label(path):
    # 读取label文件
    df_label = pd.read_csv('cnn_label.csv', header=None)
    # 查看该文件夹下所有文件
    files_dir = os.listdir(path)
    # 用于存放图片名
    path_list = []
    # 用于存放图片对应的label
    label_list = []
    # 遍历该文件夹下的所有文件
    for file_dir in files_dir:
        # 如果某文件是图片，则将其文件名以及对应的label取出，分别放入path_list和label_list这两个列表中
        if os.path.splitext(file_dir)[1] == ".jpg":
            path_list.append(file_dir)
            index = int(os.path.splitext(file_dir)[0])
            label_list.append(df_label.iat[index, 0])

    # 将两个列表写进dataset.csv文件
    path_s = pd.Series(path_list)
    label_s = pd.Series(label_list)
    df = pd.DataFrame()
    df['path'] = path_s
    df['label'] = label_s
    df.to_csv(path + '\\dataset.csv', index=False, header=False)

def main():
    # 指定文件夹路径
    train_path = 'D:\\PyCharm_Project\\deep learning\\model\\cnn_train'
    val_path = 'D:\\PyCharm_Project\\deep learning\\model\\cnn_val'
    data_label(train_path)
    data_label(val_path)

if __name__ == "__main__":
    main()

完成之后如图：

第三步，重写Dataset类，它是Pytorch中图像数据集加载的一个基类，源码如下，我们需要重写类来实现加载上面的图像数据集。

import bisect
import warnings

from torch._utils import _accumulate
from torch import randperm

class Dataset(object):
    r"""An abstract class representing a :class:`Dataset`.

    All datasets that represent a map from keys to data samples should subclass
    it. All subclasses should overwrite :meth:`__getitem__`, supporting fetching a
    data sample for a given key. Subclasses could also optionally overwrite
    :meth:`__len__`, which is expected to return the size of the dataset by many
    :class:`~torch.utils.data.Sampler` implementations and the default options
    of :class:`~torch.utils.data.DataLoader`.

    .. note::
      :class:`~torch.utils.data.DataLoader` by default constructs a index
      sampler that yields integral indices.  To make it work with a map-style
      dataset with non-integral indices/keys, a custom sampler must be provided.
    """

    def __getitem__(self, index):
        raise NotImplementedError

    def __add__(self, other):
        return ConcatDataset([self, other])

    # No `def __len__(self)` default?
    # See NOTE [ Lack of Default `__len__` in Python Abstract Base Classes ]
    # in pytorch/torch/utils/data/sampler.py

重写之后如下，自定义类名为FaceDataset：

class FaceDataset(data.Dataset):
    # 初始化
    def __init__(self, root):
        super(FaceDataset, self).__init__()
        self.root = root
        df_path = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[0])
        df_label = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[1])
        self.path = np.array(df_path)[:, 0]
        self.label = np.array(df_label)[:, 0]

    # 读取某幅图片，item为索引号
    def __getitem__(self, item):
        # 图像数据用于训练，需为tensor类型，label用numpy或list均可
        face = cv2.imread(self.root + '\\' + self.path[item])
        # 读取单通道灰度图
        face_gray = cv2.cvtColor(face, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        # 直方图均衡化
        face_hist = cv2.equalizeHist(face_gray)
        """
        像素值标准化
        读出的数据是48X48的，而后续卷积神经网络中nn.Conv2d() API所接受的数据格式是(batch_size, channel, width, higth)，
        本次图片通道为1，因此我们要将48X48 reshape为1X48X48。
        """
        face_normalized = face_hist.reshape(1, 48, 48) / 255.0
        face_tensor = torch.from_numpy(face_normalized)
        face_tensor = face_tensor.type('torch.FloatTensor')
        label = self.label[item]
        return face_tensor, label

    # 获取数据集样本个数
    def __len__(self):
        return self.path.shape[0]

到此，就实现了数据集加载的过程，下面准备使用这个类将数据喂给模型训练了。

三、模型搭建

这是Github上面部表情识别的一个开源项目的模型结构，我们使用model B搭建网络模型。使用RRelu(随机修正线性单元)作为激活函数。卷积神经网络模型如下：

class FaceCNN(nn.Module):
    # 初始化网络结构
    def __init__(self):
        super(FaceCNN, self).__init__()

        # 第一层卷积、池化
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1),  # 卷积层
            nn.BatchNorm2d(num_features=64),  # 归一化
            nn.RReLU(inplace=True),  # 激活函数
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # 最大值池化
        )

        # 第二层卷积、池化
        self.conv2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=128),
            nn.RReLU(inplace=True),
            # output:(bitch_size, 128, 12 ,12)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )

        # 第三层卷积、池化
        self.conv3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=256),
            nn.RReLU(inplace=True),
            # output:(bitch_size, 256, 6 ,6)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )

        # 参数初始化
        self.conv1.apply(gaussian_weights_init)
        self.conv2.apply(gaussian_weights_init)
        self.conv3.apply(gaussian_weights_init)

        # 全连接层
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=0.2),
            nn.Linear(in_features=256 * 6 * 6, out_features=4096),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(in_features=4096, out_features=1024),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_features=1024, out_features=256),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_features=256, out_features=7),
        )

    # 前向传播
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        # 数据扁平化
        x = x.view(x.shape[0], -1)
        y = self.fc(x)
        return y

参数解析：
输入通道数in_channels，输出通道数(即卷积核的通道数)out_channels，卷积核大小kernel_size，步长stride，对称填0行列数padding。
第一层卷积：input:(bitch_size, 1, 48, 48), output(bitch_size, 64, 24, 24)
第二层卷积：input:(bitch_size, 64, 24, 24), output(bitch_size, 128, 12, 12)
第三层卷积：input:(bitch_size, 128, 12, 12), output:(bitch_size, 256, 6, 6)

四、模型训练
损失函数使用交叉熵，优化器是随机梯度下降SGD，其中weight_decay为正则项系数，每轮训练打印损失值，每5轮训练打印准确率。

def train(train_dataset, val_dataset, batch_size, epochs, learning_rate, wt_decay):
    # 载入数据并分割batch
    train_loader = data.DataLoader(train_dataset, batch_size)
    # 构建模型
    model = FaceCNN()
    # 损失函数
    loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
    # 优化器
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=wt_decay)
    # 逐轮训练
    for epoch in range(epochs):
        # 记录损失值
        loss_rate = 0
        # scheduler.step() # 学习率衰减
        model.train()  # 模型训练
        for images, labels in train_loader:
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 前向传播
            output = model.forward(images)
            # 误差计算
            loss_rate = loss_function(output, labels)
            # 误差的反向传播
            loss_rate.backward()
            # 更新参数
            optimizer.step()

        # 打印每轮的损失
        print('After {} epochs , the loss_rate is : '.format(epoch + 1), loss_rate.item())
        if epoch % 5 == 0:
            model.eval()  # 模型评估
            acc_train = validate(model, train_dataset, batch_size)
            acc_val = validate(model, val_dataset, batch_size)
            print('After {} epochs , the acc_train is : '.format(epoch + 1), acc_train)
            print('After {} epochs , the acc_val is : '.format(epoch + 1), acc_val)

    return model

五、完整代码

 """
 CNN_face.py 基于卷积神经网络的面部表情识别(Pytorch实现)
 """
 import torch
 import torch.utils.data as data
 import torch.nn as nn
 import torch.optim as optim
 import numpy as np
 import pandas as pd
 import cv2

 # 参数初始化
 def gaussian_weights_init(m):
     classname = m.__class__.__name__
     # 字符串查找find，找不到返回-1，不等-1即字符串中含有该字符
     if classname.find('Conv') != -1:
         m.weight.data.normal_(0.0, 0.04)

 # 验证模型在验证集上的正确率
 def validate(model, dataset, batch_size):
     val_loader = data.DataLoader(dataset, batch_size)
     result, num = 0.0, 0
     for images, labels in val_loader:
         pred = model.forward(images)
         pred = np.argmax(pred.data.numpy(), axis=1)
         labels = labels.data.numpy()
         result += np.sum((pred == labels))
         num += len(images)
     acc = result / num
     return acc

 class FaceDataset(data.Dataset):
     # 初始化
     def __init__(self, root):
         super(FaceDataset, self).__init__()
         self.root = root
         df_path = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[0])
         df_label = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[1])
         self.path = np.array(df_path)[:, 0]
         self.label = np.array(df_label)[:, 0]

     # 读取某幅图片，item为索引号
     def __getitem__(self, item):
         # 图像数据用于训练，需为tensor类型，label用numpy或list均可
         face = cv2.imread(self.root + '\\' + self.path[item])
         # 读取单通道灰度图
         face_gray = cv2.cvtColor(face, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
         # 直方图均衡化
         face_hist = cv2.equalizeHist(face_gray)
         """
         像素值标准化
         读出的数据是48X48的，而后续卷积神经网络中nn.Conv2d() API所接受的数据格式是(batch_size, channel, width, higth)，
         本次图片通道为1，因此我们要将48X48 reshape为1X48X48。
         """
         face_normalized = face_hist.reshape(1, 48, 48) / 255.0
         face_tensor = torch.from_numpy(face_normalized)
         face_tensor = face_tensor.type('torch.FloatTensor')
         label = self.label[item]
         return face_tensor, label

     # 获取数据集样本个数
     def __len__(self):
         return self.path.shape[0]

 class FaceCNN(nn.Module):
     # 初始化网络结构
     def __init__(self):
         super(FaceCNN, self).__init__()

         # 第一次卷积、池化
         self.conv1 = nn.Sequential(
             nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1),  # 卷积层
             nn.BatchNorm2d(num_features=64),  # 归一化
             nn.RReLU(inplace=True),  # 激活函数
             nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # 最大值池化
         )

         # 第二次卷积、池化
         self.conv2 = nn.Sequential(
             nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
             nn.BatchNorm2d(num_features=128),
             nn.RReLU(inplace=True),
             nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
         )

         # 第三次卷积、池化
         self.conv3 = nn.Sequential(
             nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
             nn.BatchNorm2d(num_features=256),
             nn.RReLU(inplace=True),
             nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
         )

         # 参数初始化
         self.conv1.apply(gaussian_weights_init)
         self.conv2.apply(gaussian_weights_init)
         self.conv3.apply(gaussian_weights_init)

         # 全连接层
         self.fc = nn.Sequential(
             nn.Dropout(p=0.2),
             nn.Linear(in_features=256 * 6 * 6, out_features=4096),
             nn.RReLU(inplace=True),
             nn.Dropout(p=0.5),
             nn.Linear(in_features=4096, out_features=1024),
             nn.RReLU(inplace=True),
             nn.Linear(in_features=1024, out_features=256),
             nn.RReLU(inplace=True),
             nn.Linear(in_features=256, out_features=7),
         )

     # 前向传播
     def forward(self, x):
         x = self.conv1(x)
         x = self.conv2(x)
         x = self.conv3(x)
         # 数据扁平化
         x = x.view(x.shape[0], -1)
         y = self.fc(x)
         return y

 def train(train_dataset, val_dataset, batch_size, epochs, learning_rate, wt_decay):
     # 载入数据并分割batch
     train_loader = data.DataLoader(train_dataset, batch_size)
     # 构建模型
     model = FaceCNN()
     # 损失函数
     loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
     # 优化器
     optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=wt_decay)
     # 学习率衰减
     # scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.8)
     # 逐轮训练
     for epoch in range(epochs):
         # 记录损失值
         loss_rate = 0
         # scheduler.step() # 学习率衰减
         model.train()  # 模型训练
         for images, labels in train_loader:
             # 梯度清零
             optimizer.zero_grad()
             # 前向传播
             output = model.forward(images)
             # 误差计算
             loss_rate = loss_function(output, labels)
             # 误差的反向传播
             loss_rate.backward()
             # 更新参数
             optimizer.step()

         # 打印每轮的损失
         print('After {} epochs , the loss_rate is : '.format(epoch + 1), loss_rate.item())
         if epoch % 5 == 0:
             model.eval()  # 模型评估
             acc_train = validate(model, train_dataset, batch_size)
             acc_val = validate(model, val_dataset, batch_size)
             print('After {} epochs , the acc_train is : '.format(epoch + 1), acc_train)
             print('After {} epochs , the acc_val is : '.format(epoch + 1), acc_val)

     return model

 def main():
     # 数据集实例化(创建数据集)
     train_dataset = FaceDataset(root='D:\PyCharm_Project\deep learning\model\cnn_train')
     val_dataset = FaceDataset(root='D:\PyCharm_Project\deep learning\model\cnn_val')
     # 超参数可自行指定
     model = train(train_dataset, val_dataset, batch_size=128, epochs=100, learning_rate=0.1, wt_decay=0)
     # 保存模型
     torch.save(model, 'model_net.pkl')

 if __name__ == '__main__':
     main()

以上程序代码的执行过程需要较长时间，目前我只能在CPU上跑程序，速度慢，算力不足，我差不多用了1天时间训练100轮，训练时间看不同电脑设备配置，如果在GPU上跑会快很多。
下面截取几个训练结果：

从结果可以看出，训练在60轮的时候，模型在训练集上的准确率达到99%以上，而在测试集上只有60%左右，很明显出现过拟合的情况，还可以进一步优化参数，使用正则等方法防止过拟合。另外，后面几十轮训练的提升很低，还需要找出原因。
这个过程我还在学习中，上面是目前达到的结果，希望之后能够把这个模型进一步优化，提高准确率。
小结：
学习了机器学习和深度学习有一段时间，基本上看的是李宏毅老师讲解的理论知识，还未真正去实现训练一个模型。这篇记录我第一次学习的项目过程，多有不足，还需不断实践。目前遇到的问题是：1、基本的理论知识能够理解，但是在公式推导和模型选择还未很好掌握。2、未具备训练一个模型的经验（代码实现），后续需要学习实战项目。

参考资料：

机器学习-李宏毅(2019)视频
https://ntumlta2019.github.io/ml-web-hw3/
https://www.cnblogs.com/HL-space/p/10888556.html
https://github.com/amineHorseman/facial-expression-recognition-using-cnn
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