深度学习P6周：VGG-16算法-Pytorch实现人脸识别
- 🍨本文为🔗365天深度学习训练营中的学习记录博客
- 🍖原作者：K同学啊
学习目的
1.在理解CNN的基础上认识VGG-16架构。
2.调用官方的VGG-16架构。
注：VGG-16由16个卷积层和3个全连接层组成，因此具有较深的网络结构。有助于网络学习到更加抽象和复杂的特征。
卷积层的设计：VGG-16的卷积层全部采用3×3的卷积核和步长为1的卷积操作，同时在卷积层之后都接有Relu激活函数。这种设计的好处在于，通过堆叠多个较小的卷积核，可以提高网络的非线性建模能力，同时减少了参数数量，从而降低了过拟合的风险。
池化层：在卷积层之后，VGG-16使用最大池化层来减少特征图的空间尺寸，帮助提取更加显著的特征并减少计算量。
全连接层：VGG-16在卷积层之后接有3个全连接层，最后一个全连接层输出与类别数相对应的向量用于进行分类。
VGG-16包含了16个隐藏层（13个卷积层和3个全连接层），故称为 VGG-16。
网络架构图：
前期准备（导入相关库并确定使用GPU）
import torch import torch.nn as nn import torchvision.transforms as transforms import torchvision from torchvision import transforms, datasets import os,PIL,pathlib,warnings warnings.filterwarnings("ignore") #忽略警告信息 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") device导入数据，查看子文件
import os,PIL,random,pathlib data_dir = './6-data/' data_dir = pathlib.Path(data_dir) data_paths = list(data_dir.glob('*')) classeNames = [str(path).split("\\")[1] for path in data_paths] classeNames对图像进行标准化（RGB彩图常规操作）
# 关于transforms.Compose的更多介绍可以参考：https://blog.csdn.net/qq_38251616/article/details/124878863 train_transforms = transforms.Compose([ transforms.Resize([224, 224]), # 将输入图片resize成统一尺寸 # transforms.RandomHorizontalFlip(), # 随机水平翻转 transforms.ToTensor(), # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor，并归一化到[0,1]之间 transforms.Normalize( # 标准化处理-->转换为标准正太分布（高斯分布），使模型更容易收敛 mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]) # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。 ]) total_data = datasets.ImageFolder("./6-data/",transform=train_transforms) total_data划分数据集并加载数据，查看数据size：
train_size = int(0.8 * len(total_data)) test_size = len(total_data) - train_size train_dataset, test_dataset = torch.utils.data.random_split(total_data, [train_size, test_size]) train_dataset, test_datasetbatch_size = 32 train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=1) test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=1) for X, y in test_dl: print("Shape of X [N, C, H, W]: ", X.shape) print("Shape of y: ", y.shape, y.dtype) break下载调用官方VGG-16模型：
from torchvision.models import vgg16 device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu" print("Using {} device".format(device)) # 加载预训练模型，并且对模型进行微调 model = vgg16(pretrained = True).to(device) # 加载预训练的vgg16模型 for param in model.parameters(): param.requires_grad = False # 冻结模型的参数，这样子在训练的时候只训练最后一层的参数 # 修改classifier模块的第6层（即：(6): Linear(in_features=4096, out_features=2, bias=True)） # 注意查看我们下方打印出来的模型 model.classifier._modules['6'] = nn.Linear(4096,len(classeNames)) # 修改vgg16模型中最后一层全连接层，输出目标类别个数 model.to(device) model编写训练函数：
# 训练循环 def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer): size = len(dataloader.dataset) # 训练集的大小 num_batches = len(dataloader) # 批次数目, (size/batch_size，向上取整) train_loss, train_acc = 0, 0 # 初始化训练损失和正确率 for X, y in dataloader: # 获取图片及其标签 X, y = X.to(device), y.to(device) # 计算预测误差 pred = model(X) # 网络输出 loss = loss_fn(pred, y) # 计算网络输出和真实值之间的差距，targets为真实值，计算二者差值即为损失 # 反向传播 optimizer.zero_grad() # grad属性归零 loss.backward() # 反向传播 optimizer.step() # 每一步自动更新 # 记录acc与loss train_acc += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item() train_loss += loss.item() train_acc /= size train_loss /= num_batches return train_acc, train_loss编写测试函数：
def test (dataloader, model, loss_fn): size = len(dataloader.dataset) # 测试集的大小 num_batches = len(dataloader) # 批次数目, (size/batch_size，向上取整) test_loss, test_acc = 0, 0 # 当不进行训练时，停止梯度更新，节省计算内存消耗 with torch.no_grad(): for imgs, target in dataloader: imgs, target = imgs.to(device), target.to(device) # 计算loss target_pred = model(imgs) loss = loss_fn(target_pred, target) test_loss += loss.item() test_acc += (target_pred.argmax(1) == target).type(torch.float).sum().item() test_acc /= size test_loss /= num_batches return test_acc, test_loss设置动态学习率（调用官方的方法）：
learn_rate = 1e-4 # 初始学习率 # optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learn_rate) lambda1 = lambda epoch: 0.92 ** (epoch // 4) optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learn_rate) scheduler = torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lambda1) #选定调整方法正式训练：
import copy loss_fn = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数 epochs = 40 train_loss = [] train_acc = [] test_loss = [] test_acc = [] best_acc = 0 # 设置一个最佳准确率，作为最佳模型的判别指标 for epoch in range(epochs): # 更新学习率（使用自定义学习率时使用） # adjust_learning_rate(optimizer, epoch, learn_rate) model.train() epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, optimizer) scheduler.step() # 更新学习率（调用官方动态学习率接口时使用） model.eval() epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn) # 保存最佳模型到 best_model if epoch_test_acc > best_acc: best_acc = epoch_test_acc best_model = copy.deepcopy(model) train_acc.append(epoch_train_acc) train_loss.append(epoch_train_loss) test_acc.append(epoch_test_acc) test_loss.append(epoch_test_loss) # 获取当前的学习率 lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr'] template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%, Test_loss:{:.3f}, Lr:{:.2E}') print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, epoch_test_acc*100, epoch_test_loss, lr)) # 保存最佳模型到文件中 PATH = './best_model.pth' # 保存的参数文件名 torch.save(best_model.state_dict(), PATH) print('Done')模型训练结果可视化：
import matplotlib.pyplot as plt #隐藏警告 import warnings warnings.filterwarnings("ignore") #忽略警告信息 plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签 plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 用来正常显示负号 plt.rcParams['figure.dpi'] = 100 #分辨率 from datetime import datetime current_time = datetime.now() # 获取当前时间 epochs_range = range(epochs) plt.figure(figsize=(12, 3)) plt.subplot(1, 2, 1) plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy') plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy') plt.legend(loc='lower right') plt.title('Training and Validation Accuracy') plt.xlabel(current_time) # 打卡请带上时间戳，否则代码截图无效 plt.subplot(1, 2, 2) plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss') plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss') plt.legend(loc='upper right') plt.title('Training and Validation Loss') plt.show()调用模型，对于指定图片进行预测：
预测函数构建：
from PIL import Image classes = list(total_data.class_to_idx) def predict_one_image(image_path, model, transform, classes): test_img = Image.open(image_path).convert('RGB') plt.imshow(test_img) # 展示预测的图片 test_img = transform(test_img) img = test_img.to(device).unsqueeze(0) model.eval() output = model(img) _,pred = torch.max(output,1) pred_class = classes[pred] print(f'预测结果是：{pred_class}')预测训练集中的某张图片：
# 预测训练集中的某张照片 predict_one_image(image_path='./6-data/Angelina Jolie/001_fe3347c0.jpg', model=model, transform=train_transforms, classes=classes)查看最优模型的准确率：
best_model.eval() epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, best_model, loss_fn) epoch_test_acc, epoch_test_loss心得体会：
1.本次任务人脸识别难度较大，且类别较多，导致准确率较低；不过模型的训练依然收敛，私以为VGG-16更适用自然物体等简单图像。
2.复杂背景对于模型进行人脸识别干扰较大，应当适当裁剪；
3.尝试了更换优化器和数据增强的方法，准确率提升较少（只有小幅提升4%~5%），因此认为应从网络架构本身出发，在后续的学习中会更加注意对于人脸识别这一类细粒度识别的任务用哪一类网络会比较好。