（pytorch进阶之路）ConvNeXt论文及实现

文章目录

导读
论文地址
代码地址
核心代码 - Block类
完整模型
ConvNext Isotropic
执行main.py
学习其main.py写法

导读

ConvNeXt基于RestNet50，灵感来自于Sw-Transformer，对ResNet50进行改进，仍保证是卷积网路，是篇调参发挥极致的论文

传统卷积与现代VIT性能区别可能来自于训练技巧：

SwT和VIT使用的训练策略，AdamW优化器，带有权重正则化的优化器

数据增强技巧，Mixup，Cutmix，RandAugment，Random Erasing，构造更多的训练集

RestNet50结构 3：4：6：4
在这里插入图片描述
每个block有三层卷积，64、128、256等数字是通道数，每个block重复3/4/6/4遍

ConvNeXt改成了3：3：9：3，借鉴启发自Sw-T

并将底层卷积替换成4×4 stride=4的卷积，类似patch

使用depth-wise卷积（群卷积），深度可分离卷积，减少计算量的，只是对空间维度进行混合

提升通道数从64提升到96

引入信息瓶颈，transformer中block第一部分是mhsa，第二部分是两层MLP，第一层MLP映射到4倍空间大小上，第二层MLP又将信息还原回一倍空间上，这个是transformer重要的设计，ConvNeXt对block进行一样的设计
在这里插入图片描述
激活函数RELU替换成GELU，BN替换成LN

引入更少的激活函数和归一化层

采用2×2，stride=2卷积进行下采样，类似patch merging

底层和下采样之前和最后的平均池化之后之后加入LN层

论文地址

https://openaccess.thecvf.com/content/CVPR2022/papers/Liu_A_
ConvNet_for_the_2020s_CVPR_2022_paper.pdf

代码地址

https://github.com/facebookresearch/ConvNeXt

核心代码 - Block类

核心代码在models文件夹下的convnext.py，这个文件就实现了整个convnext-T模型结构

整个模型有三个部分，第一个部分是stem，对原始图像进行预处理，采用4×4，96，stride=4的卷积

第二部分有4个stage，每一个stage里面都会重复很多个block，重复的次数叫做depth

最后一部分，对特征进行下采样，也就是进行池化，映射到我们要做分类的类别上
在这里插入图片描述
一开始定义了block类，尽管每个block的特征维度有一些区别，但是都能把它抽象成一个高层block，因此首先定义一个block

res2 block第一层是一个7×7的群卷积，depth-wise（所以写作d7×7）深度可分离卷积，即group等于in_channel的群卷积，输出通道数是96

block第二层是一个1×1的卷积，没有考虑空间的局部关联性，只做通道融合，可以看作是2维的MLP，把dim=96映射到了384

第三层也是1×1的卷积，又将第二层的384维度映射回96维度

所以一个block可以看作是一个群卷积加两个MLP构成

一层和二层之间有一个LN，第二层到第三层经过一个GELU

最后输入和输出相加，实现残差结构

class Block(nn.Module):
    r""" ConvNeXt Block. There are two equivalent implementations:
    (1) DwConv -> LayerNorm (channels_first) -> 1x1 Conv -> GELU -> 1x1 Conv; all in (N, C, H, W)
    (2) DwConv -> Permute to (N, H, W, C); LayerNorm (channels_last) -> Linear -> GELU -> Linear; Permute back
    We use (2) as we find it slightly faster in PyTorch
    
    Args:
        dim (int): Number of input channels.
        drop_path (float): Stochastic depth rate. Default: 0.0
        layer_scale_init_value (float): Init value for Layer Scale. Default: 1e-6.
    """
    def __init__(self, dim, drop_path=0., layer_scale_init_value=1e-6):
        super().__init__()
        # depth-wise conv
        self.dwconv = nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=7, padding=3, groups=dim)
        self.norm = LayerNorm(dim, eps=1e-6)
        # point-wise/1x1 conv, implemented with linear layers
        self.pwconv1 = nn.Linear(dim, 4 * dim)
        self.act = nn.GELU()
        self.pwconv2 = nn.Linear(4 * dim, dim)
        self.gamma = nn.Parameter(layer_scale_init_value * torch.ones((dim)),
                                  requires_grad=True) if layer_scale_init_value > 0 else None
        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        input = x
        x = self.dwconv(x)
        x = x.permute(0, 2, 3, 1)  # (N, C, H, W) -> (N, H, W, C)
        x = self.norm(x)
        x = self.pwconv1(x)
        x = self.act(x)
        x = self.pwconv2(x)
        if self.gamma is not None:
            x = self.gamma * x
        x = x.permute(0, 3, 1, 2)  # (N, H, W, C) -> (N, C, H, W)

        x = input + self.drop_path(x)
        return x

init函数实例化了层，有depth-wise conv，LayerNorm，两个MLP（point-wise），GELU激活函数

forward函数，输入送入dwconv，dwconv的输出转置一下维度成(N, C, H,W) -> (N, H, W, C)，转置的目的是送入MLP，dim维度做映射

直接送入LN，送入pwconv1，激活函数act，pwconv2

最后把输出还原成标准的卷积格式(N,C,H,W)

完整模型

有了block之后就可以完整定义模型了，模型分为三步，一层是stem层，stem层很简单，就是4×4的卷积stride=4，out_channel=96

stem之后有一个LN

第二层是block数量比例为3：3：9：3的4个stage，两两stage之间进行下采样，一共有4个stage，所以有3个downsample_layer，下采样用的是2×2 stride=2的conv，下采样之前会有一个LN，特征之间是下采样，但是通道数目之间进行上采样，这个想法类似于Swin

定义stage有两层循环，第一层循环是对4个stage遍历，第二层循环是对每一个stage的depth进行遍历，深度依次为3、3、9、3

定义block有一个细节就是dp_rates，随着深度的增大，drop-out比例是越来越大的，最开始的stagedrop out比例比较小

最后是分类模块，比较简单了，首先进行池化，全局平均池化之后有一个LN，卷积过后是一个4维张量，我们池化成2维的张量输入进head，head层，即一个MLP映射到分类维度

对于大型模型，一般head层和特征抽取层分离，特征抽取层写一个forward_features函数，head层在forward函数里面用

完整模型代码：

class ConvNeXt(nn.Module):
    r""" ConvNeXt
        A PyTorch impl of : `A ConvNet for the 2020s`  -
          https://arxiv.org/pdf/2201.03545.pdf

    Args:
        in_chans (int): Number of input image channels. Default: 3
        num_classes (int): Number of classes for classification head. Default: 1000
        depths (tuple(int)): Number of blocks at each stage. Default: [3, 3, 9, 3]
        dims (int): Feature dimension at each stage. Default: [96, 192, 384, 768]
        drop_path_rate (float): Stochastic depth rate. Default: 0.
        layer_scale_init_value (float): Init value for Layer Scale. Default: 1e-6.
        head_init_scale (float): Init scaling value for classifier weights and biases. Default: 1.
    """
    def __init__(self, in_chans=3, num_classes=1000,
                 depths=[3, 3, 9, 3], dims: list = [96, 192, 384, 768], drop_path_rate=0.,
                 layer_scale_init_value=1e-6, head_init_scale=1.,
                 ):
        super().__init__()

        self.downsample_layers = nn.ModuleList() # stem and 3 intermediate downsampling conv layers
        stem = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_chans, dims[0], kernel_size=4, stride=4),
            LayerNorm(dims[0], eps=1e-6, data_format="channels_first")
        )
        self.downsample_layers.append(stem)
        for i in range(3):
            downsample_layer = nn.Sequential(
                    LayerNorm(dims[i], eps=1e-6, data_format="channels_first"),
                    # 下采样
                    nn.Conv2d(dims[i], dims[i+1], kernel_size=2, stride=2),
            )
            self.downsample_layers.append(downsample_layer)
        # 4 feature resolution stages, each consisting of multiple residual blocks
        self.stages = nn.ModuleList()
        dp_rates = [x.item() for x in torch.linspace(0, drop_path_rate, sum(depths))]
        cur = 0
        for i in range(4):
            stage = nn.Sequential(
                *[Block(dim=dims[i], drop_path=dp_rates[cur + j],
                        layer_scale_init_value=layer_scale_init_value)
                  for j in range(depths[i])]
            )
            self.stages.append(stage)
            cur += depths[i]

        self.norm = nn.LayerNorm(dims[-1], eps=1e-6) # final norm layer
        self.head = nn.Linear(dims[-1], num_classes)

        self.apply(self._init_weights)
        self.head.weight.data.mul_(head_init_scale)
        self.head.bias.data.mul_(head_init_scale)

    def _init_weights(self, m):
        if isinstance(m, (nn.Conv2d, nn.Linear)):
            trunc_normal_(m.weight, std=.02)
            nn.init.constant_(m.bias, 0)

    def forward_features(self, x):
        for i in range(4):
            x = self.downsample_layers[i](x)
            x = self.stages[i](x)
        return self.norm(x.mean([-2, -1])) # global average pooling, (N, C, H, W) -> (N, C)

    def forward(self, x):
        x = self.forward_features(x)
        x = self.head(x)
        return x

ConvNext Isotropic

各向同性的convnext，所谓各向同性就是每经过一个stage后，不需要对输入特征进行空间上的降维，一直保持embedding dim不变，sequence length也不变，实现isotropic convnext是为了对比VIT模型，进行的消融实验

在官方开源的文件models文件夹下的convnext_isotropic.py实现了各向同性的convnext结构

在isotropic中我们不在需要下采样层了，就只有stem，block层，head层

stem层，16×16卷积，stride=16，out_channel=384

block层，没有4个stage的概念了，不同stage之间也没有下采样了，3+3+9+3一共18个block，block都是dim=384，每个block里面都是3层，第一层是dim=384的depth-wise二维卷积，第二层1×1的dim=384×4的point-wise卷积，第三层是1×1的dim=384的point-wise卷积，输入和最后一层输出进行残差连接，一共进行18次

head层，首先进行平均池化，送入head分类

执行main.py

查看main.py可以发现，使用了argparse库，在get_args_parser()发现有很多可选参数可以去指定，一般argparse库都是在linux系统使用的多，写一个bash调用main.py，但像我们windows系统一般在脚本文件里直接调试会比较方便

我们主要是需要指定一下data_path数据路径（下载的数据放到这里）和data_set指定数据集

那么如何解析的时候把参数传进去呢？
像这样，如果是必选参数：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('echo')
args = parser.parse_args(['hello world!'])
print(args.echo)

如果是可选参数

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--echo')
args = parser.parse_args(['--echo', 'hello world!'])
print(args.echo)

回到main.py，我们在根目录下创建dataset/cifar文件夹存放dataset数据集

然后修改args一行代码，替换成如下代码

    args = parser.parse_args(['--data_path', 'dataset/cifar',
                              '--data_set', 'CIFAR',
                              '--device', 'cpu'])

配置一下args参数，因为我是CPU没有装cuda，device需要配一下，如果有cuda就不用配device了

这里有个巨坑，如果cpu跑起来的话，需要改两个地方

第一处是timm库里的Mixup类，手动给Mixup类添加个self.device属性，然后在main.py大约277行，Mixup实例化多传一个device参数，然后修改timm\data\mixup.py，大概是217行，target = mixup_target(target, self.num_classes, lam, self.label_smoothing)多传一个self.device参数进去，如果嫌太麻烦就或者直接写死target = mixup_target(target, self.num_classes, lam, self.label_smoothing, ‘cpu’)

然后engine.py里的大约84行修改成
if torch.cuda.is_available():
torch.cuda.synchronize()

学习其main.py写法

它导入了timm这个库，这个库在计算机视觉领域是非常好的一个库，基本上把很多CV的模型都实现好了

在datasets导入了build_dataset，写了一个datasets.py如何去导入数据集，定义了一个build_transform()对原始图片进行一些列的变换，根据args中的data_set参数下载相应的数据集，有CIFAR，IMNET，image_folder

我们可以学习一下他们argparse的写法，通过parent参数，用parents=[get_args_parser()]专门传入Argument超参数

main函数定义训练函数， utils.init_distributed_mode(args)支持多机多卡训练，utils是他们自己写的代码，init_distributed_mode初始化多级多卡训练的配置，主节点IP和端口等等都是在这里设置的，如果想要多机多卡训练可以认真看一下这一部分的代码

num_tasks = utils.get_world_size()，定义一共有多少个节点

global_rank = utils.get_rank()表示当前这个节点在第几个节点上跑的

获得一个sampler，获取在每个节点上我们拿到的数据索引是什么

 sampler_train = torch.utils.data.DistributedSampler(
        dataset_train, num_replicas=num_tasks, rank=global_rank, shuffle=True, seed=args.seed,
    )

种子seed设置，固定种子用于复现，fix the seed for reproducibility

开启了benchmark， cudnn.benchmark = True，找到最优卷积算法

if global_rank == 0 and args.log_dir is not None:
表示我们设置了日志目录，那么只在主节点上记录日志

torch.utils.data.DataLoader定义DataLoader

create_model从timm库导入，timm实现了很多计算机视觉的模型，我们只需要把模型名称传入到create_model函数就能获得这个模型的实例，像这里就传入了convnext_tiny，但这个模型直接是从@register_model配置过来的，在models文件夹下的convnext.py中有使用到@register_model注解

如果是分布式训练就传入torch.nn.parallel.DistributedDataParallel获得model

create_optimizer是作者自己写的优化器

作者自己写的utils.auto_load_model自动导入模型，获取所有的checkpoint-*.pth，取数字最大的checkpoint视为最新的文件
也可以传入args.resume来导入checkpoint
checkpoint = torch.load(args.resume, map_location=‘cpu’)

save_model保存模型，output_dir指定保存路径，保存内容：

    'model': model_without_ddp.state_dict(),
    'optimizer': optimizer.state_dict(),
    'epoch': epoch,
    'scaler': loss_scaler.state_dict(),
    'args': args,

save_on_master在主节点才保存