Pytorch迁移学习使用MobileNet v3网络模型进行猫狗预测二分类

1. MobileNet

1.3.1 MobieNet V3 Block

1.3.2 MobileNet V3-Large网络结构

1.3.3 MobileNet V3预测猫狗二分类问题

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1. MobileNet

1.1 MobileNet v1

MobileNet v1是MobileNet系列中的第一个版本，于2017年由Google团队提出。其主要目标是设计一个轻量级的深度神经网络，能够在移动设备和嵌入式系统上进行图像分类和目标检测任务，并且具有较高的计算效率和较小的模型大小。

MobileNet v1的核心创新在于使用深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution），这是一种卷积操作，将标准卷积分解成两个步骤：深度卷积和逐点卷积。

1.1.1 深度可分离卷积

Depthwise Separable Convolution（深度可分离卷积）: 传统卷积是在输入特征图的所有通道上应用一个共享的卷积核，这样会导致大量的计算开销。深度可分离卷积将这一步骤分解为两个较小的卷积操作：

深度卷积（Depthwise Convolution）：在每个输入通道上应用一个单独的卷积核，得到一组“深度”特征图。
逐点卷积（Pointwise Convolution）：使用1×1卷积核来组合前面得到的深度特征图，将通道数减少到期望的输出通道数。

1.1.2 宽度和分辨率调整

MobileNet v1允许通过调整网络的宽度和分辨率来权衡模型的速度和准确性。宽度表示在每个深度可分离卷积层中的输入和输出通道数。通过降低通道数，可以显著减少计算量，但可能损失一些准确性。分辨率指的是输入图像的大小，降低分辨率可以进一步减少计算开销，但可能会导致更低的准确性。

1.2 MobileNet v2

MobileNet v2 是 MobileNet 系列中的第二个版本，于2018年由 Google 团队提出。它是 MobileNet v1 的进一步改进，旨在提高性能并进一步降低计算复杂度，以适应移动设备和嵌入式系统的资源受限环境。

1.2.1 倒残差模块

在传统的 ResNet（残差网络）中，残差模块的设计是在输入和输出的通道数相同的情况下进行，它采用两个 3×3 的卷积层，其中第一个卷积层用于扩展通道数，第二个卷积层用于压缩通道数。MobileNet v2 的倒残差模块则相反，它首先将输入特征图进行通道数的扩张，然后再应用深度可分离卷积，最后通过 1×1 卷积进行通道数的压缩。

倒残差模块的基本结构如下：

线性瓶颈（Linear Bottleneck）：在倒残差模块的第一步，输入特征图的通道数会先进行扩张，使用 1×1 的卷积核来增加通道数。这个步骤有时也被称为“瓶颈”，因为它增加了通道数，为后续的深度可分离卷积提供更多的信息。
深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）：在线性瓶颈之后，倒残差模块应用深度可分离卷积。深度可分离卷积将卷积操作分解为两个步骤：深度卷积和逐点卷积。在深度可分离卷积中，先在每个输入通道上应用一个独立的卷积核，得到一组“深度”特征图；然后再使用 1×1 的卷积核来组合这些深度特征图，将通道数减少到期望的输出通道数。
线性瓶颈（Linear Bottleneck）：在深度可分离卷积之后，再应用一个线性瓶颈层。这个线性瓶颈层使用 1×1 的卷积核来进一步压缩通道数，减少计算量和参数数量。

具体如下图：

1.3 MobileNet v3

1.3.1 MobieNet V3 Block

MobileNetV3 Block 是 MobileNet v3 网络中的基本组成单元，它采用了一系列的设计和优化，旨在提高网络性能并降低计算复杂度。MobileNetV3 Block 包含了倒残差模块、SE 模块、线性瓶颈层和 Hard Swish 激活函数等组件，下面将详细介绍每个组件及其工作原理。

MobileNetV3 Block 的基本结构如下：

线性瓶颈（Linear Bottleneck）：倒残差模块中的第一步是线性瓶颈，它通过 1×1 卷积层来对输入特征图进行通道数的扩张。这个步骤有时也被称为“瓶颈”，因为它增加了通道数，为后续的深度可分离卷积提供更多的信息。
深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）：在线性瓶颈之后，MobileNetV3 Block 应用深度可分离卷积。深度可分离卷积将卷积操作分解为两个步骤：深度卷积和逐点卷积。在深度可分离卷积中，先在每个输入通道上应用一个独立的卷积核，得到一组“深度”特征图；然后再使用 1×1 的卷积核来组合这些深度特征图，将通道数减少到期望的输出通道数。
Squeeze-and-Excitation 模块：在深度可分离卷积之后，MobileNetV3 Block 添加了 SE 模块，用于增强网络的表示能力。SE 模块通过自适应地调整通道的权重，增加重要特征的表示能力，从而提高网络的准确性。SE 模块包含两个步骤：全局平均池化和全连接层。全局平均池化将特征图的每个通道进行平均池化，得到一个全局上下文信息；然后通过全连接层，自适应地调整每个通道的权重。
Hard Swish 激活函数：MobileNetV3 Block 使用了 Hard Swish 激活函数，这是一种计算简单且性能优秀的激活函数。相比于传统的 ReLU 激活函数，Hard Swish 在保持相近性能的情况下，计算复杂度更低，可以进一步加速网络的推理过程。

1.3.2 MobileNet V3-Large网络结构

1.input输入层特征矩阵的shape
2.operator表示的是操作
3.out代表的输出特征矩阵的channel
4.NL代表的是激活函数，其中HS代表的是hard swish激活函数，RE代表的是ReLU激活函数；
5.s代表的DW卷积的步距；
6.exp size代表的是第一个升维的卷积要将维度升到多少，exp size多少，我们就用第一层1×1卷积升到多少维。
7.SE表示是否使用注意力机制，只要表格中标√所对应的bneck结构才会使用我们的注意力机制，对没有打√就不会使用注意力机制
8.NBN 最后两个卷积的operator提示NBN，表示这两个卷积不使用BN结构，最后两个卷积相当于全连接的作用

1.3.3 MobileNet V3预测猫狗二分类问题

首先，我们需要准备用于猫狗二分类的数据集。数据集可以从Kaggle上下载，其中包含了大量的猫和狗的图片。

在下载数据集后，我们需要将数据集划分为训练集和测试集。训练集文件夹命名为train,其中建立两个文件夹分别为cat和dog，每个文件夹里存放相应类别的图片。测试集命名为test，同理。然后我们使用ResNet50网络模型，在我们的计算机上使用GPU进行训练并保存我们的模型，训练完成后在测试集上验证模型预测的正确率。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torchvision.transforms as transforms
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
from torchvision.datasets import ImageFolder
from torchvision.models import mobilenet_v3_large

# 设置随机种子
torch.manual_seed(42)

# 定义超参数
batch_size = 32
learning_rate = 0.001
num_epochs = 10

# 定义数据转换
transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((224, 224)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
])

# 加载数据集
train_dataset = ImageFolder("train", transform=transform)
test_dataset = ImageFolder("test", transform=transform)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size)

# 加载预训练的MobileNetV3-Large模型
model = mobilenet_v3_large(pretrained=True)
num_ftrs = model.classifier[3].in_features
model.classifier[3] = nn.Linear(num_ftrs, 2)  # 替换最后一层全连接层，以适应二分类问题

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, momentum=0.9)

# 训练模型
total_step = len(train_loader)
for epoch in range(num_epochs):
    for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前向传播
        outputs = model(images)
        loss = criterion(outputs, labels)

        # 反向传播和优化
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

        if (i + 1) % 100 == 0:
            print(f"Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Step [{i+1}/{total_step}], Loss: {loss.item()}")
torch.save(model, 'model/m.pth')
# 测试模型
model.eval()
with torch.no_grad():
    correct = 0
    total = 0
    for images, labels in test_loader:
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()


    print(f"Accuracy on test images: {(correct / total) * 100}%")

预测截图如下：

本篇文章到此结束，当然相关内容还有很多，更详细内容可以看论文。

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作者简介

李博，资深架构师，InfoQ平台、阿里云社区专家博主，CSDN博客专家，51CTO讲师，慕课网讲师，Quarkus技术社区的热衷参与者，参与过多个开源项目（Skywalking、Nacos、Pulsar等）的开发和深入研究。目前担任公司内部架构委员会副主席，主要研究方向是“基于Quarkus的云原生Java微服务架构的推进”和“GraalVM虚拟机的内部化落地”。