カスタムデータセットでなるべくかんたんに画像分類器をつくりたい。Pytorchで転移学習

# 自前のデータセットでImageClassificationモデルをトレーニングします

<img src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/235259/8c22bfee-5ecc-5a65-8b02-9af896685e02.jpeg width=400>

**Pytorch　チュートリアルのColab:**

https://colab.research.google.com/github/pytorch/tutorials/blob/gh-pages/_downloads/62840b1eece760d5e42593187847261f/transfer_learning_tutorial.ipynb

# ユースケースに合わせて、画像分類機能をつくりたい
画像分類を自身のユースケースに合わせて行いたい場合、ユースケースにあったデータセットで画像分類モデルをトレーニングします。
たとえば、画像内の交通標識を見分けたい場合は、それぞれの標識の画像を集めて、モデルに学習してもらいます。

# Pytorchを使ってやってみよう

Pytorchを使って学習をしてみます。
今回は事前にImageNetというデータセットを学習したモデルを使って、モデルの最後に未学習のニューラルネットワークをつけ、学習させます。
この手法はFinetuneと呼ばれます。
また、記事の最後では、事前学習済みレイヤーはロックして、後者の付け足した最後の層のみ学習させます。
モデル全体をランダムの重みから学習させるのに対して、この手法は転移学習と呼ばれます。
大規模なデータセットを用意できないユースケースでは一般的な手法です。

# 方法

### １、必要なモジュールのインポート

```python
from __future__ import print_function, division

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.optim import lr_scheduler
import torch.backends.cudnn as cudnn
import numpy as np
import torchvision
from torchvision import datasets, models, transforms
import matplotlib.pyplot as plt
import time
import os
import copy

cudnn.benchmark = True
plt.ion()   # interactive mode
```

### ２、データセットを用意します

以下のように、データのディレクトリ内にtrainとvalのディレクトリを用意し、それぞれ中にクラス名のディレクトリを用意して、画像を入れます。

```
dataset
|
|__train
|  |
|  |__class1
|  |  |
|  |  |__1.jpg
|  |  |__2.jpg
|  |  |__...
|  |
|  |__class2
|  |  |
|  |  |__1.jpg
|  |  |__2.jpg
|  |  |__...
|  |
|  |__...
|
|__val
|  |
|  |__class1
|     |
|     |__1.jpg
|     |__2.jpg
|...
```



### ３、データセットをモデルに与えるデータローダーの形式にします

```python
# データセットの前処理を設定します
data_transforms = {
    'train': transforms.Compose([
        transforms.RandomResizedCrop(224), # ランダムにリサイズしてクロップします
        transforms.RandomHorizontalFlip(), # 水平方向にフリップします
        transforms.ToTensor(), # torch用のテンソルにします
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225]) # ImageNet形式の正規化をします
    ]),
    'val': transforms.Compose([
        transforms.Resize(256),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
}

data_dir = 'dataset'

# datasetというモジュールのImageFolderという関数に、ラムダ関数でデータセットを与えて、上述の前処理を加え、torch用のデータセット形式にする
image_datasets = {x: datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x),
                                          data_transforms[x])
                  for x in ['train', 'val']} 

# トレーニング時にデータをロードするローダーに上記データを与える
dataloaders = {x: torch.utils.data.DataLoader(image_datasets[x], batch_size=4,
                                             shuffle=True, num_workers=4)
              for x in ['train', 'val']}
dataset_sizes = {x: len(image_datasets[x]) for x in ['train', 'val']}
class_names = image_datasets['train'].classes

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
```

### データローダー形式にしたデータを画像表示して、確認します。

```python
def imshow(inp, title=None):
    """Imshow for Tensor."""
    inp = inp.numpy().transpose((1, 2, 0)) # テンソルをnumpy arrayに
    # 非正規化
    mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406]) 
    std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    inp = std * inp + mean
    inp = np.clip(inp, 0, 1)
    # 表示
    plt.imshow(inp)
    if title is not None:
        plt.title(title)
    plt.pause(0.001)  # pause a bit so that plots are updated


# データローダーから読み込む
inputs, classes = next(iter(dataloaders['train']))

# グリッド画像にする
out = torchvision.utils.make_grid(inputs)

imshow(out, title=[class_names[x] for x in classes])
```

# トレーニングループを設定する 

```python
def train_model(model, criterion, optimizer, scheduler, num_epochs=25):
    since = time.time()

    best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())
    best_acc = 0.0

    for epoch in range(num_epochs):
        print(f'Epoch {epoch}/{num_epochs - 1}')
        print('-' * 10)

        # Each epoch has a training and validation phase
        for phase in ['train', 'val']:
            if phase == 'train':
                model.train()  # Set model to training mode
            else:
                model.eval()   # Set model to evaluate mode

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0

            # Iterate over data.
            for inputs, labels in dataloaders[phase]:
                inputs = inputs.to(device)
                labels = labels.to(device)

                # zero the parameter gradients
                optimizer.zero_grad()

                # forward
                # track history if only in train
                with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):
                    outputs = model(inputs)
                    _, preds = torch.max(outputs, 1)
                    loss = criterion(outputs, labels)

                    # backward + optimize only if in training phase
                    if phase == 'train':
                        loss.backward()
                        optimizer.step()

                # statistics
                running_loss += loss.item() * inputs.size(0)
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)
            if phase == 'train':
                scheduler.step()

            epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
            epoch_acc = running_corrects.double() / dataset_sizes[phase]

            print(f'{phase} Loss: {epoch_loss:.4f} Acc: {epoch_acc:.4f}')

            # deep copy the model
            if phase == 'val' and epoch_acc > best_acc:
                best_acc = epoch_acc
                best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())

        print()

    time_elapsed = time.time() - since
    print(f'Training complete in {time_elapsed // 60:.0f}m {time_elapsed % 60:.0f}s')
    print(f'Best val Acc: {best_acc:4f}')

    # load best model weights
    model.load_state_dict(best_model_wts)
    return model
```

# モデルとトレーニング設定を定義します

torchvisionの事前トレーニング済みモデルをダウンロードし、トレーニングするニューラルネットワークを付け足します。
ロスファンクションとオプティマイザーを設定します。

```python
model_ft = models.resnet18(pretrained=True) # 事前学習済みモデル
num_ftrs = model_ft.fc.in_features # 事前学習済みモデルのファインチューン用のフィーチャー出力

# 事前トレーニング済みモデルの出力形状の出力を入力として受け取り、今回分類するクラス数分の出力をするニューラルネットワークをファインチューンレイヤーとして付け足す
model_ft.fc = nn.Linear(num_ftrs, len(class_names)) 

model_ft = model_ft.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss() # ロス関数

# Observe that all parameters are being optimized
optimizer_ft = optim.SGD(model_ft.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9) # オプティマイザー
 
# Decay LR by a factor of 0.1 every 7 epochs
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_ft, step_size=7, gamma=0.1)
```

事前トレーニング済みモデルは、torchvision.modelsでは以下が提供されています。

>import torchvision.models as models
resnet18 = models.resnet18(pretrained=True)
alexnet = models.alexnet(pretrained=True)
squeezenet = models.squeezenet1_0(pretrained=True)
vgg16 = models.vgg16(pretrained=True)
densenet = models.densenet161(pretrained=True)
inception = models.inception_v3(pretrained=True)
googlenet = models.googlenet(pretrained=True)
shufflenet = models.shufflenet_v2_x1_0(pretrained=True)
mobilenet_v2 = models.mobilenet_v2(pretrained=True)
mobilenet_v3_large = models.mobilenet_v3_large(pretrained=True)
mobilenet_v3_small = models.mobilenet_v3_small(pretrained=True)
resnext50_32x4d = models.resnext50_32x4d(pretrained=True)
wide_resnet50_2 = models.wide_resnet50_2(pretrained=True)
mnasnet = models.mnasnet1_0(pretrained=True)
efficientnet_b0 = models.efficientnet_b0(pretrained=True)
efficientnet_b1 = models.efficientnet_b1(pretrained=True)
efficientnet_b2 = models.efficientnet_b2(pretrained=True)
efficientnet_b3 = models.efficientnet_b3(pretrained=True)
efficientnet_b4 = models.efficientnet_b4(pretrained=True)
efficientnet_b5 = models.efficientnet_b5(pretrained=True)
efficientnet_b6 = models.efficientnet_b6(pretrained=True)
efficientnet_b7 = models.efficientnet_b7(pretrained=True)
regnet_y_400mf = models.regnet_y_400mf(pretrained=True)
regnet_y_800mf = models.regnet_y_800mf(pretrained=True)
regnet_y_1_6gf = models.regnet_y_1_6gf(pretrained=True)
regnet_y_3_2gf = models.regnet_y_3_2gf(pretrained=True)
regnet_y_8gf = models.regnet_y_8gf(pretrained=True)
regnet_y_16gf = models.regnet_y_16gf(pretrained=True)
regnet_y_32gf = models.regnet_y_32gf(pretrained=True)
regnet_x_400mf = models.regnet_x_400mf(pretrained=True)
regnet_x_800mf = models.regnet_x_800mf(pretrained=True)
regnet_x_1_6gf = models.regnet_x_1_6gf(pretrained=True)
regnet_x_3_2gf = models.regnet_x_3_2gf(pretrained=True)
regnet_x_8gf = models.regnet_x_8gf(pretrained=True)
regnet_x_16gf = models.regnet_x_16gf(pretrainedTrue)
regnet_x_32gf = models.regnet_x_32gf(pretrained=True)
vit_b_16 = models.vit_b_16(pretrained=True)
vit_b_32 = models.vit_b_32(pretrained=True)
vit_l_16 = models.vit_l_16(pretrained=True)
vit_l_32 = models.vit_l_32(pretrained=True)
convnext_tiny = models.convnext_tiny(pretrained=True)
convnext_small = models.convnext_small(pretrained=True)
convnext_base = models.convnext_base(pretrained=True)
convnext_large = models.convnext_large(pretrained=True)

### 学習

```python
model_ft = train_model(model_ft, criterion, optimizer_ft, exp_lr_scheduler,
                       num_epochs=25)
```

>Best val Acc: 0.934641

２クラス200枚程度、ColabのCPU（GPUなし）で33分で学習できました。

### モデルで推論してみる

```python
def visualize_model(model, num_images=6):
    was_training = model.training
    model.eval()
    images_so_far = 0
    fig = plt.figure()

    with torch.no_grad():
        for i, (inputs, labels) in enumerate(dataloaders['val']):
            inputs = inputs.to(device)
            labels = labels.to(device)

            outputs = model(inputs)
            _, preds = torch.max(outputs, 1)

            for j in range(inputs.size()[0]):
                images_so_far += 1
                ax = plt.subplot(num_images//2, 2, images_so_far)
                ax.axis('off')
                ax.set_title(f'predicted: {class_names[preds[j]]}')
                imshow(inputs.cpu().data[j])

                if images_so_far == num_images:
                    model.train(mode=was_training)
                    return
        model.train(mode=was_training)
```

```python
visualize_model(model_ft)
```

![ダウンロード (46).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/235259/ee5e7493-46b9-1142-398d-69e7bca7c54d.png)
![ダウンロード (47).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/235259/080d04b7-c6be-ff7b-826a-e645e54c02a8.png)


### 最後の層以外はロックする(固定特徴抽出器)

学習がより高速になります。

>トレーニングデータが事前トレーニングされたネットワークがトレーニングされたデータと本質的に類似している場合は、固定特徴抽出器の上で新しい分類器をトレーニングするだけで十分かもしれません（そして間違いなく最速のアプローチです）。ただし、データがまったく異なる場合（たとえば、絵画やイラストを微調整しようとしているときにconv netが写真でトレーニングされた場合）、以前のレイヤーも微調整するのが理にかなっている場合があります。
https://forums.fast.ai/t/two-types-of-transfer-learning/9100

```python
model_conv = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
for param in model_conv.parameters():
    param.requires_grad = False #　学習をロック

# Parameters of newly constructed modules have requires_grad=True by default
num_ftrs = model_conv.fc.in_features
model_conv.fc = nn.Linear(num_ftrs, 2)

model_conv = model_conv.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# Observe that only parameters of final layer are being optimized as
# opposed to before.
optimizer_conv = optim.SGD(model_conv.fc.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# Decay LR by a factor of 0.1 every 7 epochs
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=7, gamma=0.1)
```

```python
model_conv = train_model(model_conv, criterion, optimizer_conv,
                         exp_lr_scheduler, num_epochs=25)
```

>Best val Acc: 0.967320

２クラス200枚程度、ColabのCPU（GPUなし）で16分で学習できました。

# ユースケースに合わせた判別器を作ろう

データを揃えれば、短時間で学習できるので、ビジネスなどに応用しましょう。

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