DEiT实战：使用DEiT实现图像分类任务

Posted 2022-12-17 AI浩

DEiT实战

• 摘要
• 安装包
• • 安装timm
• 数据增强Cutout和Mixup
• EMA
• 项目结构
• 计算mean和std
• 生成数据集

摘要

DEiT是FaceBook在2020年提出的一篇Transformer模型。该模型解决了Transformer难以训练的问题，三天内使用4块GPU，完成了ImageNet的训练，并且没有使用外部数据，达到了SOTA水平。
DEiT提出的蒸馏策略只增加了对token的蒸馏，没有引入其他的重要架构。如下图：

蒸馏令牌与类令牌的使用类似:它通过自注意力与其他令牌交互，并在最后一层后由网络输出。蒸馏令牌允许模型从老师的输出中学习，就像在常规蒸馏中一样，同时与类令牌保持互补。这一点我们可以代码中找到：

 self.dist_token = nn.Parameter(torch.zeros(1, 1, self.embed_dim))
 self.cls_token = nn.Parameter(torch.zeros(1, 1, embed_dim))

cls_tokens 是类令牌，dist_token 是蒸馏令牌，确实很像是，仔细看都没有找到差别。

 def forward(self, x):
        x, x_dist = self.forward_features(x)
        x = self.head(x)
        x_dist = self.head_dist(x_dist)
        if self.training:
            return x, x_dist
        else:
            # during inference, return the average of both classifier predictions
            return (x + x_dist) / 2

如果想让模型从Teacher模型里学习，将 if self.training:设置为true，这样我们就可以像论文中那样使用RegNet做Teacher，使用DeiT模型做Student去蒸馏x_dist，否则将两者做平均实现二者的互补。
timm里面的代码和官方的代码有所不通，不过逻辑上是一样的，下面是timm的代码：

 def forward_head(self, x, pre_logits: bool = False) -> torch.Tensor:
        if pre_logits:
            return (x[:, 0] + x[:, 1]) / 2
        x, x_dist = self.head(x[:, 0]), self.head_dist(x[:, 1])
        if self.distilled_training and self.training and not torch.jit.is_scripting():
            # only return separate classification predictions when training in distilled mode
            return x, x_dist
        else:
            # during standard train / finetune, inference average the classifier predictions
            return (x + x_dist) / 2

（终于搞明白了。憋了好几天了，直到看了官方的代码才理解。）
等我有时间了再写一篇使用外部模型蒸馏的教程。

这篇文章主要讲解如何使用DEiT完成图像分类任务，接下来我们一起完成项目的实战。本例选用的模型是deit_small_patch16_224和deit_small_distilled_patch16_224,在植物幼苗数据集上实现了96%和97%的准确率。deit_small_patch16_224是没有蒸馏token的操作，deit_small_distilled_patch16_224有蒸馏token的操作，从结果上看蒸馏还是有不错的效果。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2012.12877v2
论文翻译：https://wanghao.blog.csdn.net/article/details/128180419?spm=1001.2014.3001.5502

DeiT测试结果：

DeiT_dist测试结果：

通过这篇文章能让你学到：

1. 如何使用数据增强，包括transforms的增强、CutOut、MixUp、CutMix等增强手段？
2. 如何实现DEit模型和DEiT_dist模型实现训练？
3. 如何使用pytorch自带混合精度？
4. 如何使用梯度裁剪防止梯度爆炸？
5. 如何使用DP多显卡训练？
6. 如何绘制loss和acc曲线？
7. 如何生成val的测评报告？
8. 如何编写测试脚本测试测试集？
9. 如何使用余弦退火策略调整学习率？
10. 如何使用AverageMeter类统计ACC和loss等自定义变量？
11. 如何理解和统计ACC1和ACC5？
12. 如何使用EMA？

安装包

安装timm

使用pip就行，命令：

pip install timm

本文实战用的timm里面的模型。

数据增强Cutout和Mixup

为了提高成绩我在代码中加入Cutout和Mixup这两种增强方式。实现这两种增强需要安装torchtoolbox。安装命令：

pip install torchtoolbox

Cutout实现，在transforms中。

from torchtoolbox.transform import Cutout
# 数据预处理
transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((224, 224)),
    Cutout(),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])

])

需要导入包：from timm.data.mixup import Mixup，

定义Mixup，和SoftTargetCrossEntropy

  mixup_fn = Mixup(
    mixup_alpha=0.8, cutmix_alpha=1.0, cutmix_minmax=None,
    prob=0.1, switch_prob=0.5, mode='batch',
    label_smoothing=0.1, num_classes=12)
 criterion_train = SoftTargetCrossEntropy()

参数详解：

mixup_alpha (float): mixup alpha 值，如果 > 0，则 mixup 处于活动状态。

cutmix_alpha (float)：cutmix alpha 值，如果 > 0，cutmix 处于活动状态。

cutmix_minmax (List[float])：cutmix 最小/最大图像比率，cutmix 处于活动状态，如果不是 None，则使用这个 vs alpha。

如果设置了 cutmix_minmax 则cutmix_alpha 默认为1.0

prob (float): 每批次或元素应用 mixup 或 cutmix 的概率。

switch_prob (float): 当两者都处于活动状态时切换cutmix 和mixup 的概率 。

mode (str): 如何应用 mixup/cutmix 参数（每个’batch’，‘pair’（元素对），‘elem’（元素）。

correct_lam (bool): 当 cutmix bbox 被图像边框剪裁时应用。 lambda 校正

label_smoothing (float)：将标签平滑应用于混合目标张量。

num_classes (int): 目标的类数。

EMA

EMA（Exponential Moving Average）是指数移动平均值。在深度学习中的做法是保存历史的一份参数，在一定训练阶段后，拿历史的参数给目前学习的参数做一次平滑。具体实现如下：

class EMA():
    def __init__(self, model, decay):
        self.model = model
        self.decay = decay
        self.shadow = 
        self.backup = 

    def register(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                self.shadow[name] = param.data.clone()

    def update(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.shadow
                new_average = (1.0 - self.decay) * param.data + self.decay * self.shadow[name]
                self.shadow[name] = new_average.clone()

    def apply_shadow(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.shadow
                self.backup[name] = param.data
                param.data = self.shadow[name]

    def restore(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.backup
                param.data = self.backup[name]
        self.backup = 

加入到模型中。

# 初始化
ema = EMA(model, 0.999)
ema.register()

# 训练过程中，更新完参数后，同步update shadow weights
def train():
    optimizer.step()
    ema.update()

# eval前，apply shadow weights；eval之后，恢复原来模型的参数
def evaluate():
    ema.apply_shadow()
    # evaluate
    ema.restore()

针对没有预训练的模型，容易出现EMA不上分的情况，这点大家要注意啊！

项目结构

DEiT_demo
├─data1
│  ├─Black-grass
│  ├─Charlock
│  ├─Cleavers
│  ├─Common Chickweed
│  ├─Common wheat
│  ├─Fat Hen
│  ├─Loose Silky-bent
│  ├─Maize
│  ├─Scentless Mayweed
│  ├─Shepherds Purse
│  ├─Small-flowered Cranesbill
│  └─Sugar beet
├─mean_std.py
├─makedata.py
├─ema.py
├─train.py
├─train_dist.py
└─test.py

mean_std.py：计算mean和std的值。
makedata.py：生成数据集。
ema.py：EMA脚本
train.py:训练DEiT模型
train_dist.py:训练蒸馏策略的DEiT模型。

为了能在DP方式中使用混合精度，还需要在模型的forward函数前增加@autocast()，如果使用GPU训练导入包from torch.cuda.amp import autocast，如果使用CPU，则导入from torch.cpu.amp import autocast。

计算mean和std

为了使模型更加快速的收敛，我们需要计算出mean和std的值，新建mean_std.py,插入代码：

from torchvision.datasets import ImageFolder
import torch
from torchvision import transforms

def get_mean_and_std(train_data):
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
        train_data, batch_size=1, shuffle=False, num_workers=0,
        pin_memory=True)
    mean = torch.zeros(3)
    std = torch.zeros(3)
    for X, _ in train_loader:
        for d in range(3):
            mean[d] += X[:, d, :, :].mean()
            std[d] += X[:, d, :, :].std()
    mean.div_(len(train_data))
    std.div_(len(train_data))
    return list(mean.numpy()), list(std.numpy())

if __name__ == '__main__':
    train_dataset = ImageFolder(root=r'data1', transform=transforms.ToTensor())
    print(get_mean_and_std(train_dataset))

数据集结构：

运行结果：

([0.3281186, 0.28937867, 0.20702125], [0.09407319, 0.09732835, 0.106712654])

把这个结果记录下来，后面要用！

生成数据集

我们整理还的图像分类的数据集结构是这样的

data
├─Black-grass
├─Charlock
├─Cleavers
├─Common Chickweed
├─Common wheat
├─Fat Hen
├─Loose Silky-bent
├─Maize
├─Scentless Mayweed
├─Shepherds Purse
├─Small-flowered Cranesbill
└─Sugar beet

pytorch和keras默认加载方式是ImageNet数据集格式，格式是

├─data
│  ├─val
│  │   ├─Black-grass
│  │   ├─Charlock
│  │   ├─Cleavers
│  │   ├─Common Chickweed
│  │   ├─Common wheat
│  │   ├─Fat Hen
│  │   ├─Loose Silky-bent
│  │   ├─Maize
│  │   ├─Scentless Mayweed
│  │   ├─Shepherds Purse
│  │   ├─Small-flowered Cranesbill
│  │   └─Sugar beet
│  └─train
│      ├─Black-grass
│      ├─Charlock
│      ├─Cleavers
│      ├─Common Chickweed
│      ├─Common wheat
│      ├─Fat Hen
│      ├─Loose Silky-bent
│      ├─Maize
│      ├─Scentless Mayweed
│      ├─Shepherds Purse
│      ├─Small-flowered Cranesbill
│      └─Sugar beet

新增格式转化脚本makedata.py,插入代码：

import glob
import os
import shutil

image_list=glob.glob('data1/*/*.png')
print(image_list)
file_dir='data'
if os.path.exists(file_dir):
    print('true')
    #os.rmdir(file_dir)
    shutil.rmtree(file_dir)#删除再建立
    os.makedirs(file_dir)
else:
    os.makedirs(file_dir)

from sklearn.model_selection import train_test_split
trainval_files, val_files = train_test_split(image_list, test_size=0.3, random_state=42)
train_dir='train'
val_dir='val'
train_root=os.path.join(file_dir,train_dir)
val_root=os.path.join(file_dir,val_dir)
for file in trainval_files:
    file_class=file.replace("\\\\","/").split('/')[-2]
    file_name=file.replace("\\\\","/").split('/')[-1]
    file_class=os.path.join(train_root,file_class)
    if not os.path.isdir(file_class):
        os.makedirs(file_class)
    shutil.copy(file, file_class + '/' + file_name)

for file in val_files:
    file_class=file.replace("\\\\","/").split('/')[-2]
    file_name=file.replace("\\\\","/").split('/')[-1]
    file_class=os.path.join(val_root,file_class)
    if not os.path.isdir(file_class):
        os.makedirs(file_class)
    shutil.copy(file, file_class + '/' + file_name)

完成上面的内容就可以开启训练和测试了。