利用pytorch自定义CNN网络（一）：torchvision工具箱

阅读原文时间：2023年08月09日阅读：4

本文是利用pytorch自定义CNN网络系列的第一篇，主要介绍 torchvision工具箱及其使用，关于本系列的全文见这里。

笔者的运行设备与软件：CPU (AMD Ryzen 5 4600U) + pytorch (1.13，CPU版) + jupyter；

本文所用到的资源：链接：https://pan.baidu.com/s/1WgW3IK40Xf_Zci7D_BVLRg 提取码：1212

torchvision是基于pytorch的工具箱，主要用来处理图像数据，其内包含一些常用的数据集、模型、图像转换等。torchvision工具箱主要包含以下四大模块：

torchvision.models：提供深度学习中各种经典的网络结构、预训练好的模型，如：Alex-Net、VGG、ResNet、Inception等。
torchvision.datasets：提供常用的数据集，设计上继承torch.utils.data.Dataset，主要包括：MNIST、CIFAR10/100、ImageNet、COCO等。
torchvision.transforms：提供常用的数据预处理操作，主要包括对Tensor及PIL Image对象的操作。
torchvision.utils：工具类，如保存张量作为图像到磁盘，给一个小批量创建一个图像网格。

torchvision.models模块包含以下模型结构，AlexNet、VGG、GoogLeNet、ResNet、SqueezeNet、DenseNet等常用模型结构。其中，每个模型结构又可以根据卷积核大小、网络层深度等细分成不同的模型。例如，ResNet就提供了5种不同深度的模型，分别为resnet18、resnet34、resnet50、resnet101、resnet152。

2.1. 加载预训练模型及其参数权重

torchvision提供了各种模型的预训练模型，我们可以在此基础上针对性地调整，这大大减少了工作量。加载预训练模型的过程如下，这里以resnet18模型为例。

import torchvision
resnet18 = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)

以上代码运行结果：

预训练模型加载完成后我们可以model.atate_dict()方法查看训练好的权重。

resnet18.state_dict()

部分运行结果：

现在，让我们进一步了解torchvision.models.resnet18()。
语法：torchvision.models.resnet18(*, weights: Union[torchvision.models.resnet.ResNet18_Weights, NoneType] = None, progress: bool = True, **kwargs: Any) ---> torchvision.models.resnet.ResNet
参数：Union---是否使用预训练权重，默认不使用；当pretrained=True，使用预训练权重。
备注：resnet18 = torchvision.models.resnet18()，表示随机初始化权重创建模型。

2.2. 加载预训练模型并自定义参数权重

我们也可以只加载模型的网络结构，然后置入自定义的参数权重（该参数权重一定要符合该网络结构）。

import torchvision
# 导入模型的网络结构，并随机初始化参数权重
resnet18 = torchvision.models.resnet18()
# 查看随机参数权重
resnet18.state_dict()
# 加载本地的参数权重
resnet18.load_state_dict(torch.load("D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\resnet18-f37072fd.pth"))
# 查看加载后的参数权重
resnet18.state_dict()

2.3. 调整预训练模型

预训练的模型有些层并不是直接能用，需要我们微微改一下，比如，resnet最后的全连接层是分1000类，而我们只有21类；或resnet第一层卷积接收的通道是3，我们可能输入图片的通道是4，那么可以通过以下方法修改：

from torchvision import models
from torch import nn

resnet34 = models.resnet34(pretrained=True, num_classes=1000)
# 默认是ImageNet上的1000分类，这里修改最后的全连接层为10分类问题
resnet34.fc = nn.Linear(512, 10)

提供常用的数据集，设计上继承torch.utils.data.Dataset，主要包括：MNIST、Fashion-MNIST、CIFAR10/100、ImageNet、COCO等。

3.1. 加载网络数据集

torchvision提供的数据集允许从网络上下载，具体使用方法如下，我们以加载Fashion-MNIST为例。

from torchvision import datasets
data_train = datasets.FashionMNIST("D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\",
                                  download=True, train=False, transform=None)

现在，让我们详细了解一下torchvision.datasets.FashionMNIST()。
语法：torchvision.datasets.FashionMNIST(root, train=True, transform=None, target_transform=None, download=False)
参数：
root---存放MNIST/processed/training.pt和MNIST/processed/test.pt的数据集的根目录。即，存放下载的或是要加载的数据集的根目录。
train---可选，如果为True，则从training.pt创建数据集，否则从test.pt创建数据集。
transform---可选，即图像变换操作。
target_transform---可选，接受目标并对其进行转换的函数/转换。
download---可选，如果为true，则从internet下载数据集并将其放在根目录中。如果数据集已下载，则不会再次下载。
备注：不同数据集的对应的函数不同，详见Datasets — Torchvision 0.15 documentation。

3.2. 加载本地数据集

torchvision.datasets.ImageFolder可以用来加载本地数据集，它要求我们以下面这种格式来组织数据集的训练、验证或者测试图片。

语法：dataset=torchvision.datasets.ImageFolder(root, transform=None,target_transform=None, loader=, is_valid_file=None)
参数：
root---图片存储的根目录，即各类别文件夹所在目录的上一级目录。
transform---对图片进行预处理的操作（函数），原始图片作为输入，返回一个转换后的图片。
target_transform---对图片类别进行预处理的操作，输入为 target，输出对其的转换。如果不传该参数，即对 target 不做任何转换，返回的顺序索引 0,1, 2…。root下的每个文件夹为一个类别。
loader---表示数据集加载方式，通常默认加载方式即可。
is_valid_file---获取图像文件的路径并检查该文件是否为有效文件的函数(用于检查损坏文件)
返回：返回的是一个dataset（也可以理解为Dataset的一个子类），它的结构就是[(img_data,class_id),(img_data,class_id),…]。
返回值的属性：
self.classes：用一个 list 保存类别名称。
self.class_to_idx：类别对应的索引，与不做任何转换返回的 target 对应。
self.imgs：保存(img-path, class) tuple的 list。
备注：torchvision.datasets.ImageFolder()的源码链接：torchvision.datasets.folder — Torchvision 0.15 documentation

from torchvision.datasets import ImageFolder
from torchvision import transforms

transform = transforms.ToTensor()
root = "D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an"
dataset = ImageFolder(root, transform=transform)

print(dataset[0])
print(dataset.classes)        #根据分的文件夹的名字来确定的类别
print(dataset.class_to_idx)    #按顺序为这些类别定义索引为0,1...
print(dataset.imgs)            #返回从所有文件夹中得到的图片的路径以及其类别
'''
(tensor([[[0.7961, 0.7961, 0.8000,  ..., 0.9412, 0.9373, 0.9333],
         [0.7961, 0.7961, 0.8000,  ..., 0.9451, 0.9412, 0.9333],
         [0.7961, 0.7961, 0.8000,  ..., 0.9451, 0.9412, 0.9373],
         ...,
         [0.6000, 0.6000, 0.6000,  ..., 0.0078, 0.0078, 0.0078],
         [0.5961, 0.5961, 0.5961,  ..., 0.0078, 0.0078, 0.0078],
         [0.5922, 0.5922, 0.5922,  ..., 0.0039, 0.0039, 0.0039]],

        [[0.6431, 0.6431, 0.6471,  ..., 0.7882, 0.7843, 0.7804],
         [0.6431, 0.6431, 0.6471,  ..., 0.7922, 0.7882, 0.7804],
         [0.6431, 0.6431, 0.6471,  ..., 0.7922, 0.7882, 0.7843],
         ...,
         [0.4784, 0.4784, 0.4784,  ..., 0.0078, 0.0078, 0.0078],
         [0.4745, 0.4745, 0.4745,  ..., 0.0078, 0.0078, 0.0078],
         [0.4706, 0.4706, 0.4706,  ..., 0.0039, 0.0039, 0.0039]],

        [[0.3412, 0.3412, 0.3451,  ..., 0.4784, 0.4745, 0.4706],
         [0.3412, 0.3412, 0.3451,  ..., 0.4824, 0.4784, 0.4706],
         [0.3412, 0.3412, 0.3451,  ..., 0.4824, 0.4784, 0.4745],
         ...,
         [0.2157, 0.2157, 0.2157,  ..., 0.0000, 0.0000, 0.0000],
         [0.2118, 0.2118, 0.2118,  ..., 0.0000, 0.0000, 0.0000],
         [0.2078, 0.2078, 0.2078,  ..., 0.0000, 0.0000, 0.0000]]]), 0)
['cat', 'dog']
{'cat': 0, 'dog': 1}
[('D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\cat\\cat.0.jpg', 0),
('D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\cat\\cat.1.jpg', 0),
('D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\cat\\cat.2.jpg', 0),
('D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\dog\\dog.0.jpg', 1),
('D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\dog\\dog.1.jpg', 1),
('D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\dog\\dog.2.jpg', 1)]
'''

transforms包含了一些图像预处理操作，这些操作可以使用torchvison.transforms.Compose连在一起进行串联操作。这些操作有：

__all__ = ["Compose", "ToTensor", "ToPILImage", "Normalize", "Resize",
           "CenterCrop", "Pad", "Lambda", "RandomApply", "RandomChoice", "RandomOrder",
           "RandomCrop", "RandomHorizontalFlip",  "RandomVerticalFlip", "RandomResizedCrop",
           "RandomSizedCrop", "FiveCrop", "TenCrop", "LinearTransformation", "ColorJitter",
           "RandomRotation", "RandomAffine", "Grayscale", "RandomGrayscale"]

Compose()：用来管理所有的transforms操作。
ToTensor()：把图片数据转换成张量并转化范围在[0,1]区间内。
ToPILImage()：将Tensor或numpy.ndarray转换为PIL Image。
Normalize(mean, std)：归一化（标准化）。具体见，pytorch中归一化transforms.Normalize的真正计算过程
Resize(size)：输入的PIL图像调整为指定的大小，参数可以为int或int元组。
CenterCrop(size)：将给定的PIL Image进行中心切割，得到指定size的tuple。
Pad(padding, fill=0, padding_mode=‘constant’)：对PIL边缘进行填充。
RandomApply(transforms, p=0.5)：随机选取变换。
RandomCrop(size, padding=0)：随机中心点切割。size可以是tuple也可以是Integer
RandomHorizontalFlip()：随机水平翻转给定的PIL Image。
RandomVerticalFlip()：随机垂直翻转给定的PIL Image。
FiveCrop(size)：将给定的PIL图像裁剪成4个角落区域和中心区域。
RandomAffine(degrees, translate=None, scale=None)：保持中心不变的图片进行随机仿射变化。
Grayscale(num_output_channels=1)：对图像进行灰度变换。

备注：torchvision.transforms.Compose()的源码链接：torchvision.transforms.transforms — Torchvision 0.15 documentation
我们可以将transfors.Compose类的实例化可以理解成生成一个图像变换器，实例化过程中传入的参数就是图像的变换操作，操作之间是串联关系。

import torch
import torchvision
from torchvision import transforms
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt

transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                                transforms.Resize((300, 300)),
                                transforms.RandomAffine(degrees=30),
                                transforms.RandomHorizontalFlip(),
                                transforms.ToPILImage()])
img = Image.open("D:\\Users\\CV learning\\opencv learning\\image\\lena.jpg")
imgs1 = transform(img)
imgs2 = transform(img)
imgs3 = transform(img)
plt.subplot(1, 3, 1), plt.imshow(imgs1), plt.title("img1")
plt.subplot(1, 3, 2), plt.imshow(imgs2), plt.title("img2")
plt.subplot(1, 3, 3), plt.imshow(imgs3), plt.title("img3")
plt.show()

运行结果：

注：需要注意的是transforms模块中类或函数的操作对象是torch.Tensor类或PIL.Image.Image类。

torchvision.utils模块主要介绍两个函数，即torchvision.utils.make_grid()和torchvision.utils.save_image()函数。

5.1. torchvision.utils.make_grid()

torchvision.utils.make_grid()将多张图像组合成一张网格图像，和九宫格图像挺像的。
语法：torchvision.utils.make_grid(tensor: Union[Tensor, List[Tensor]], nrow: int = 8, padding: int = 2, normalize: bool = False, value_range: Optional[Tuple[int, int]] = None, scale_each: bool = False, pad_value: float = 0.0, **kwargs) ---> torch.Tensor
**参数：**
tensor(Tensor or list)---4维张量(Tensor.shape=(B x C x H x W))或相同尺寸的图像。
nrow(int, 可选 )---网格中每行显示的图像数量。
padding(int, 可选)---图像之间的填充像素数。
normalize(bool, 可选)---如果为True，将网格图像使用value_range的最小值和最大值进行归一化。
value_range (tuple, 可选)---归一化图像的最小值和最大值。默认情况下，最小值和最大值从张量计算。
scale_each (bool, 可选)---缩放批中的每个图像图像单独显示，而不是所有图像上的（最小值、最大值）。
pad_value (float, 可选)---填充像素的大小。

from torchvision.datasets import ImageFolder
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import torchvision
import matplotlib.pyplot as plt

transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                               transforms.Resize((300, 300))])
root = "D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an"
dataset = ImageFolder(root, transform=transform)
data_loder = DataLoader(dataset=dataset, batch_size=32, shuffle=True)

for imgs, label in data_loder:
    img_tensor = torchvision.utils.make_grid(imgs, nrow=8, padding=10)
    imgs = transforms.ToPILImage()(img_tensor)
    plt.imshow(imgs)

运行结果如下：

5.2. torchvision.utils.save_image()

torchvision.utils.save_image()函数只能保存RGB彩色图像，如果网络的输出是单通道灰度图像，则该函数依然会输出三个通道，每个通道的数值都是相同的，即“伪灰度图像”。
语法：torchvision.utils.save_image(tensor: Union[torch.Tensor, List[torch.Tensor]], fp: Union[str, pathlib.Path, BinaryIO], format: Union[str, NoneType] = None, **kwargs) ---> None
**参数：**
tensor(Tensor or list)---要保存的图像的张量。如果是B x C x H x W形式的四维张量，需要将其转换为网格图像进行保存。
fp (string or file object)---保存路径。
format (可选)--- 如果省略，则使用要使用的格式从文件名扩展名确定。如果使用文件对象而不是文件名，则应始终使用此参数。

from torchvision.datasets import ImageFolder
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import torchvision

transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                               transforms.Resize((300, 300))])
root = "D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an"
dataset = ImageFolder(root, transform=transform)
data_loder = DataLoader(dataset=dataset, batch_size=8, shuffle=True)
i=0

for imgs, label in data_loder:
    img_tensor = torchvision.utils.make_grid(imgs, nrow=8, padding=10)
    torchvision.utils.save_image(img_tensor, fp=f"D:\\Users\\CV learning\\pytorch\\data\\an\\{i}.jpg")
    i+=1

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