七月在线 《图像识别与检测》

Posted 2022-02-11 刘润森！

七月在线 课程：https://www.julyedu.com/course/getDetail/262

CSPNet

CSPNet全称是Cross Stage Partial Network，主要从一个比较特殊的角度切入，能够在降低20%计算量的情况下保持甚至提高CNN的能力。CSPNet开源了一部分cfg文件，其中一部分cfg可以直接使用AlexeyAB版Darknet还有ultralytics的yolov3运行。

1. 增强CNN的学习能力：现有的CNN在轻量化后，其精度大大降低，因此本文希望加强CNN的学习能力，使其在轻量化的同时保持足够的准确性。CSPNet可以很容易地应用于ResNet、ResNeXt和DenseNet。将CSPNet应用于上述网络后，计算量可从10%减少到20%。

2. 消除计算瓶颈：过高的计算瓶颈会导致更多的计算周期来完成推理过程，或者一些算力单元经常闲置。因此，本文希望能够均匀分配CNN中各层的计算量，这样可以有效提升各计算单元的利用率，从而减少不必要的能耗。此外，在基于MS COCO数据集的物体检测实验中，本文提出的模型在基于YOLOv3的模型上测试时，可以有效降低80%的计算瓶颈。

3. 降低内存成本：动态随机存取存储器(DRAM)的晶圆制造成本非常昂贵，而且还占用了大量的空间。如果能有效降低存储器的成本，将大大降低集成电路成本。此外，小面积的晶圆可以用于各种边缘计算设备。在减少内存使用方面，文章采用cross-channel pooling，在特征金字塔生成过程中对特征图进行压缩。这样，CSPNet与对象检测器在生成特征金字塔时，可以减少PeleeNet上75%的内存使用量。

由于CSPNet能够促进CNN的学习能力，因此本文使用更小的模型来实现更好的精度。CSPNet可以在GTX 1080ti上以109 fps的速度达到50%的COCO AP50。由于CSPNet可以有效地削减大量的内存流量，本文提出的方法可以在英特尔酷睿i9-9900K上以52帧/秒的速度实现40%的COCO AP50。此外，由于CSPNet可以显著降低计算瓶颈，Exact Fusion Model（EFM）可以有效降低所需的内存带宽，因此，CSPNet能够在Nvidia Jetson TX2上实现42%的COCO AP50，每秒49帧。

YOLO、SSD和Faster-RCNN

YOLO、SSD和Faster-RCNN都是目标检测领域里面非常经典的算法，无论是在工业界还是学术界，都有着深远的影响；Faster-RCNN是基于候选区域的双阶段检测器代表作，而YOLO和SSD则是单阶段检测器的代表；在速度上，单阶段的YOLO和SSD要比双阶段的Faster-RCNN的快很多，而YOLO又比SSD要快，在精度上，Faster-RCNN精度要优于单阶段的YOLO和SSD；不过这也是在前几年的情况下，目标检测发展到现在，单阶段检测器精度已经不虚双阶段，并且保持着非常快的速度，现阶段SSD和Faster-RCNN已经不更了，但是YOLO仍在飞快的发展，目前已经迭代到V4、V5，速度更快，精度更高，在COCO精度上双双破了50map，这是很多双阶段检测器都达不到的精度，而最近的Scale yolov4更是取得了55map，成功登顶榜首。当然虽然SSD和Faster-RCNN已经不更了，但是有很多他们相关的变体，同样有着不错的精度和性能，例如Cascade R-CNN、RefineDet等等。

CIFAR10 CNN（torch）

import numpy as np
import torch, torchvision
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torchvision import datasets
import torchvision.transforms as transforms
torch.__version__

我们计算数据的平均值和标准偏差，以便对其进行标准化。
我们的数据集由彩色图像组成，但有三个颜色通道（红色、绿色和蓝色），而MNIST的黑白图像只有一个颜色通道。为了规范化我们的数据，我们需要独立地计算每个颜色通道的平均值和标准偏差。
为此，我们将一个包含轴的元组传递给’mean’和’std’函数，我们希望将平均值和标准偏差传递给’mean’和’std’函数，并收到三个颜色通道中每个通道的平均值和标准偏差列表。

ROOT = '.data'

train_data = datasets.CIFAR10(root = ROOT, 
                              train = True, 
                              download = True)

means = train_data.data.mean(axis = (0,1,2)) / 255
stds = train_data.data.std(axis = (0,1,2)) / 255

print(f'Calculated means: means')
print(f'Calculated stds: stds')

接下来是定义用于数据扩充的转换。
CIFAR10数据集中的图像比MNIST数据集中的图像复杂得多。它们更大，像素数量是原来的三倍，而且更凌乱。这使它们更难学习，因此意味着我们应该少用扩充。
我们使用的一个新变换是“RandomHorizontalFlip”。这将以指定的“0.5”概率水平翻转图像。因此，马面向右侧的图像将翻转，使其面向左侧。我们无法在MNIST数据集中执行此操作，因为我们不希望测试集包含任何翻转的数字，但是自然图像（如CIFAR10数据集中的图像）可能会被翻转，因为它们仍然具有视觉意义。
由于我们的手段'和性病’现在已经在列表中，我们不需要像在MNIST数据集中处理单通道图像那样将它们包含在列表中。

train_transforms = transforms.Compose([
                           transforms.RandomRotation(5),
                           transforms.RandomHorizontalFlip(0.5),
                           transforms.RandomCrop(32, padding = 2),
                           transforms.ToTensor(),
                           transforms.Normalize(mean = means, 
                                                std = stds)
                       ])

test_transforms = transforms.Compose([
                           transforms.ToTensor(),
                           transforms.Normalize(mean = means, 
                                                std = stds)
                       ])

train_dataset = datasets.CIFAR10(ROOT, 
                              train = True, 
                              download = True, 
                              transform = train_transforms)

test_dataset = datasets.CIFAR10(ROOT, 
                             train = False, 
                             download = True, 
                             transform = test_transforms)

# create data loaders 
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size = 128, shuffle = True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size = 128, shuffle = False)

# create CNN with one convolution/pooling layer
class net(nn.Module):
  def __init__(self, input_dim, num_filters, kernel_size, stride, padding, num_classes):
    super(net, self).__init__()
    self.input_dim = input_dim
    conv_output_size = int((input_dim - kernel_size + 2 * padding)/stride) + 1   # conv layer output size
    pool_output_size = int((conv_output_size - kernel_size)/stride) + 1          # pooling layer output size
    
    self.conv = nn.Conv2d(3, num_filters, kernel_size = kernel_size, stride = stride, padding = padding)     
    self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size = kernel_size, stride = stride)
    self.relu = nn.ReLU()
    self.dense = nn.Linear(pool_output_size * pool_output_size * num_filters, num_classes)     
    
  def forward(self, x):
    x = self.conv(x)
    x = self.relu(x)
    x = self.pool(x)
    x = x.view(x.size(0), -1)   # resize to fit into final dense layer
    x = self.dense(x)
    return x

# hyperparameters
DEVICE = torch.device('cuda')
INPUT_DIM = 32
NUM_FILTERS = 32
KERNEL_SIZE = 3
STRIDE = 1
PADDING = 1
NUM_CLASSES = 10
LEARNING_RATE = 1e-3
NUM_EPOCHS = 30  


model = net(INPUT_DIM, NUM_FILTERS, KERNEL_SIZE, STRIDE, PADDING, NUM_CLASSES).to(DEVICE)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()   # do not need softmax layer when using CEloss criterion
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr = LEARNING_RATE)            

# training for NUM_EPOCHS
for i in range(NUM_EPOCHS):
  temp_loss = []
  for (x, y) in train_loader:
    x, y = x.float().to(DEVICE), y.to(DEVICE)
    outputs = model(x)
    loss = criterion(outputs, y)
    temp_loss.append(loss.item())
    
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()
    
  print("Loss at th epoch: ".format(i, np.mean(temp_loss)))

• 用准确度评分评估训练后的CNN模型
• 将每个实例的概率存储到列表中，并将其与真y标签进行比较

y_pred, y_true = [], []
with torch.no_grad():
  for x, y in test_loader:
    x, y = x.float().to(DEVICE), y.to(DEVICE)
    outputs = F.softmax(model(x)).max(1)[-1]       # predicted label
    y_true += list(y.cpu().numpy())                # true label
    y_pred += list(outputs.cpu().numpy())