DEiT实战
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
视频讲解：https://www.zhihu.com/zvideo/1587194506348040192
DeiT测试结果：
DeiT_dist测试结果：
通过这篇文章能让你学到：
- 如何使用数据增强，包括transforms的增强、CutOut、MixUp、CutMix等增强手段？
- 如何实现DEit模型和DEiT_dist模型实现训练？
- 如何使用pytorch自带混合精度？
- 如何使用梯度裁剪防止梯度爆炸？
- 如何使用DP多显卡训练？
- 如何绘制loss和acc曲线？
- 如何生成val的测评报告？
- 如何编写测试脚本测试测试集？
- 如何使用余弦退火策略调整学习率？
- 如何使用AverageMeter类统计ACC和loss等自定义变量？
- 如何理解和统计ACC1和ACC5？
- 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。