[人工智能]代码笔记《Variational Prototyping-Encoder: One-Shot Learning with Prototypical Images》

0. 准备

• 数据集
  在README.md文件里给出了数据集的地址，下载下来解压即可。

也可以百度云下载
链接：https://pan.baidu.com/s/1-4E-ixSuhpQ9r-LX3DAZGA
提取码：f1xw

然后修改修改code/config.json文件中的路径

• 数据集下面有个exp_list文件夹，下面存放了每个数据集的图片标签、图片路径和图片类名。以belga为例，分别为

  • belge_classnames.txt 图片类名
  • belge_impaths.txt 图片路径
  • belge_imclasses.txt图片标签
    

• 将code/loader/belga2flickr.py line4如果报错可以修改环境，参考自如何解决：module ‘scipy.misc’ has no attribute ‘imread’

• code/main_train_val_test.py的前81行主要是导包和日志文件的准备

1. 数据

pytorch准备数据两部曲：

1. 创建自己的 Dataset类
2. 用类创建数据集对象
3. 给torch.utils.data.DataLoader传Dataset类创建的对象，设置batch_size等

先根据设置的参数，选择合适的Dataset类和数据库所在的路径。虽然变量名为data_loader,本质为pytorch里的Dataset.

然后在line87-line89创建对应训练、测试和验证的Dataset类对象.

在line91-93创建对应训练、测试和验证的DataLoader类对象.

2. 模型

在line97根据参数建立模型:def get_model(name, n_classes=None):，用于生成VAEIdsia类的参数为:

• nc=3 模型的输入数据为3通道
• input_size=64 模型的输入数据为64*64
• latent_variable_size=300 模型将输入数据encoder成300维的向量
• cnn_chn=[100, 150, 250] 三个卷积层的前2个参数：
  • 第1层 3 -> 100通道
  • 第2层 100 -> 150通道
  • 第3层 150 -> 250通道
• param1=[200, 300, 200]、 param2=None、 param3=[150, 150, 150]分别为三个stn也就是spatial transformer network，用于在卷积之前对图片进行空间变换。

def get_model(name, n_classes=None):
    model = _get_model_instance(name)

    if name is 'vaeIdsiaStn':
        model = model(nc=3, input_size=64, latent_variable_size=300, cnn_chn=[100, 150, 250], param1=[200, 300, 200],
                      param2=None, param3=[150, 150, 150])  # idsianet cnn_chn=[100,150,250] latent = 300
        print('Use vae+Idsianet (stn1 + stn3) with random initialization!')

    if name is 'vaeIdsia':
        model = model(nc=3, input_size=64, latent_variable_size=300, cnn_chn=[100, 150, 250], param1=None, param2=None,
                      param3=None)  # idsianet cnn_chn=[100,150,250] latent = 300
        print('Use vae+Idsianet (without stns) with random initialization!')

    return model

code/models/vaeIdsiaStn.py下的VAEIdsia模型的forward函数包括三个函数

• encoder函数将shape为128, 3, 64, 64的x编码成
  • 均值mu :shape为(128,300)
  • $log(标准{差}^2)$logvar :shape为(128,300)
  • 空间变换后的图片xstn:shape为(128,3,64,64)
• reparametrize函数函数 需要encoder函数产生的均值mu和$log(标准{差}^2)$logvar来生成正态分，然后从中随机采样，返回的zshape为(128,300)
• decoder函数将reparametrize函数的特征转换为图片，shape为([128, 3, 64, 64])

3.训练

在main函数里进行args.epochs次循环，对模型进行训练、验证和测试，并保存最好的模型。

for e in range(1, args.epochs + 1):
    val_trigger = False
    train(e)
    temp_acc_val = validation(e, best_acc_val)
    if temp_acc_val > best_acc_val:
        best_acc_val = temp_acc_val
        val_trigger = True  # force test function to save log when validation performance is updated
    best_acc = test(e, best_acc, val_trigger)

由于train、validation、test函数大同小异，所以详细讲下train函数

模型训练

    for i, (input, target, template) in enumerate(trainloader):
        # input.shape->(128,3,64,64)   
        # target.shape->(128,1)  
        # template.shape->(128,3,64,64)
        optimizer.zero_grad()
        target = torch.squeeze(target)  # target.shape->(128)
        input, template = input.cuda(async=True), template.cuda(async=True)

		# 恢复的图片， 均值，log(标准差的平方),空间变换后的x
        recon, mu, logvar, input_stn = net(input)        
        # ([128, 3, 64, 64]) (128,300)  (128,300)  (128,3,64,64)

        loss = loss_function(recon, template, mu, logvar) # 计算损失
        print('Epoch:%d  Batch:%d/%d  loss:%08f' % (e, i, batch_iter, loss / input.numel()))

		# 写入文件
        f_loss = open(os.path.join(result_path, "log_loss.txt"), 'a')
        f_loss.write('Epoch:%d  Batch:%d/%d  loss:%08f\n' % (e, i, batch_iter, loss / input.numel()))
        f_loss.close()

		# 损失函数&优化器
        loss.backward()
        optimizer.step()

损失函数

损失函数定义在line107，包括两个部分：

• 二维交叉熵reconstruction_function

• KL散度KLD，关于两个正态分布的KL散度可以看两个高斯分布之间的KL散度，也就是$KL(N(\mu ,\sigma )\Vert N(0,1))=\frac{1}{2}\left(?\log {\sigma }^2+{\mu }^2+{\sigma }^2?1\right)$

优化器

模型使用的Adam优化器

optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=args.lr) # 1e-4

4.score_NN函数计算模型准确度

这个模型主要在validation和test的时候调用，计算模型在跨数据集上的预测准确度。