文章目录
一、项目背景
二、数据处理
1、标签与特征分离
2、数据可视化
3、训练集和测试集
三、模型搭建
四、模型训练
五、完整代码
一、项目背景
数据集cnn_train.csv包含人类面部表情的图片的label和feature。在这里，面部表情识别相当于一个分类问题，共有7个类别。
其中label包括7种类型表情：
一共有28709个label，说明包含了28709张表情包嘿嘿。
每一行就是一张表情包48*48=2304个像素，相当于4848个灰度值(intensity)(0为黑, 255为白)
二、数据处理
1、标签与特征分离
这一步为了后面方便读取数据集，对原数据进行处理，分离后分别保存为cnn_label.csv和cnn_data.csv.
# cnn_feature_label.py 将label和像素数据分离
import pandas as pd path = 'cnn_train.csv'# 原数据路径
# 读取数据
df = pd.read_csv(path)
# 提取label数据
df_y = df[['label']]
# 提取feature（即像素）数据
df_x = df[['feature']]
# 将label写入label.csv
df_y.to_csv('cnn_label.csv', index=False, header=False)
# 将feature数据写入data.csv
df_x.to_csv('cnn_data.csv', index=False, header=False)
执行之后生成结果文件：
2、数据可视化
完成与标签分离后，下一步我们对特征进一步处理，也就是将每个数据行的2304个像素值合成每张48*48的表情图。
# face_view.py 数据可视化
import cv2
import numpy as np # 指定存放图片的路径
path = './/face'
# 读取像素数据
data = np.loadtxt('cnn_data.csv') # 按行取数据
for i in range(data.shape[0]):
face_array = data[i, :].reshape((48, 48)) # reshape
cv2.imwrite(path + '//' + '{}.jpg'.format(i), face_array) # 写图片
这段代码将写入28709张表情图，执行需要一小段时间。
结果如下：
3、训练集和测试集
第一步，我们要训练模型，需要划分一下训练集和验证集。一共有28709张图片，我取前24000张图片作为训练集，其他图片作为验证集。新建文件夹cnn_train和cnn_val，将0.jpg到23999.jpg放进文件夹cnn_train，将其他图片放进文件夹cnn_val。
第二步，对每张图片标记属于哪一个类别，存放在dataset.csv中，分别在刚刚训练集和测试集执行标记任务。
# cnn_picture_label.py 表情图片和类别标注
import os
import pandas as pd def data_label(path):
# 读取label文件
df_label = pd.read_csv('cnn_label.csv', header=None)
# 查看该文件夹下所有文件
files_dir = os.listdir(path)
# 用于存放图片名
path_list = []
# 用于存放图片对应的label
label_list = []
# 遍历该文件夹下的所有文件
for file_dir in files_dir:
# 如果某文件是图片，则将其文件名以及对应的label取出，分别放入path_list和label_list这两个列表中
if os.path.splitext(file_dir)[1] == ".jpg":
path_list.append(file_dir)
index = int(os.path.splitext(file_dir)[0])
label_list.append(df_label.iat[index, 0]) # 将两个列表写进dataset.csv文件
path_s = pd.Series(path_list)
label_s = pd.Series(label_list)
df = pd.DataFrame()
df['path'] = path_s
df['label'] = label_s
df.to_csv(path + '\\dataset.csv', index=False, header=False) def main():
# 指定文件夹路径
train_path = 'D:\\PyCharm_Project\\deep learning\\model\\cnn_train'
val_path = 'D:\\PyCharm_Project\\deep learning\\model\\cnn_val'
data_label(train_path)
data_label(val_path) if __name__ == "__main__":
main()
完成之后如图：
第三步，重写Dataset类，它是Pytorch中图像数据集加载的一个基类，源码如下，我们需要重写类来实现加载上面的图像数据集。
import bisect
import warnings from torch._utils import _accumulate
from torch import randperm class Dataset(object):
r"""An abstract class representing a :class:`Dataset`. All datasets that represent a map from keys to data samples should subclass
it. All subclasses should overwrite :meth:`__getitem__`, supporting fetching a
data sample for a given key. Subclasses could also optionally overwrite
:meth:`__len__`, which is expected to return the size of the dataset by many
:class:`~torch.utils.data.Sampler` implementations and the default options
of :class:`~torch.utils.data.DataLoader`. .. note::
:class:`~torch.utils.data.DataLoader` by default constructs a index
sampler that yields integral indices. To make it work with a map-style
dataset with non-integral indices/keys, a custom sampler must be provided.
""" def __getitem__(self, index):
raise NotImplementedError def __add__(self, other):
return ConcatDataset([self, other]) # No `def __len__(self)` default?
# See NOTE [ Lack of Default `__len__` in Python Abstract Base Classes ]
# in pytorch/torch/utils/data/sampler.py
重写之后如下，自定义类名为FaceDataset：
class FaceDataset(data.Dataset):
# 初始化
def __init__(self, root):
super(FaceDataset, self).__init__()
self.root = root
df_path = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[0])
df_label = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[1])
self.path = np.array(df_path)[:, 0]
self.label = np.array(df_label)[:, 0] # 读取某幅图片，item为索引号
def __getitem__(self, item):
# 图像数据用于训练，需为tensor类型，label用numpy或list均可
face = cv2.imread(self.root + '\\' + self.path[item])
# 读取单通道灰度图
face_gray = cv2.cvtColor(face, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 直方图均衡化
face_hist = cv2.equalizeHist(face_gray)
"""
像素值标准化
读出的数据是48X48的，而后续卷积神经网络中nn.Conv2d() API所接受的数据格式是(batch_size, channel, width, higth)，
本次图片通道为1，因此我们要将48X48 reshape为1X48X48。
"""
face_normalized = face_hist.reshape(1, 48, 48) / 255.0
face_tensor = torch.from_numpy(face_normalized)
face_tensor = face_tensor.type('torch.FloatTensor')
label = self.label[item]
return face_tensor, label # 获取数据集样本个数
def __len__(self):
return self.path.shape[0]
到此，就实现了数据集加载的过程，下面准备使用这个类将数据喂给模型训练了。
三、模型搭建
这是Github上面部表情识别的一个开源项目的模型结构，我们使用model B搭建网络模型。使用RRelu(随机修正线性单元)作为激活函数。卷积神经网络模型如下：
class FaceCNN(nn.Module):
# 初始化网络结构
def __init__(self):
super(FaceCNN, self).__init__() # 第一层卷积、池化
self.conv1 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1), # 卷积层
nn.BatchNorm2d(num_features=64), # 归一化
nn.RReLU(inplace=True), # 激活函数
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2), # 最大值池化
) # 第二层卷积、池化
self.conv2 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
nn.BatchNorm2d(num_features=128),
nn.RReLU(inplace=True),
# output:(bitch_size, 128, 12 ,12)
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
) # 第三层卷积、池化
self.conv3 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
nn.BatchNorm2d(num_features=256),
nn.RReLU(inplace=True),
# output:(bitch_size, 256, 6 ,6)
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
) # 参数初始化
self.conv1.apply(gaussian_weights_init)
self.conv2.apply(gaussian_weights_init)
self.conv3.apply(gaussian_weights_init) # 全连接层
self.fc = nn.Sequential(
nn.Dropout(p=0.2),
nn.Linear(in_features=256 * 6 * 6, out_features=4096),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.Dropout(p=0.5),
nn.Linear(in_features=4096, out_features=1024),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.Linear(in_features=1024, out_features=256),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.Linear(in_features=256, out_features=7),
) # 前向传播
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.conv2(x)
x = self.conv3(x)
# 数据扁平化
x = x.view(x.shape[0], -1)
y = self.fc(x)
return y
参数解析：
输入通道数in_channels，输出通道数(即卷积核的通道数)out_channels，卷积核大小kernel_size，步长stride，对称填0行列数padding。
第一层卷积：input:(bitch_size, 1, 48, 48), output(bitch_size, 64, 24, 24)
第二层卷积：input:(bitch_size, 64, 24, 24), output(bitch_size, 128, 12, 12)
第三层卷积：input:(bitch_size, 128, 12, 12), output:(bitch_size, 256, 6, 6)
四、模型训练
损失函数使用交叉熵，优化器是随机梯度下降SGD，其中weight_decay为正则项系数，每轮训练打印损失值，每5轮训练打印准确率。
def train(train_dataset, val_dataset, batch_size, epochs, learning_rate, wt_decay):
# 载入数据并分割batch
train_loader = data.DataLoader(train_dataset, batch_size)
# 构建模型
model = FaceCNN()
# 损失函数
loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
# 优化器
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=wt_decay)
# 逐轮训练
for epoch in range(epochs):
# 记录损失值
loss_rate = 0
# scheduler.step() # 学习率衰减
model.train() # 模型训练
for images, labels in train_loader:
# 梯度清零
optimizer.zero_grad()
# 前向传播
output = model.forward(images)
# 误差计算
loss_rate = loss_function(output, labels)
# 误差的反向传播
loss_rate.backward()
# 更新参数
optimizer.step() # 打印每轮的损失
print('After {} epochs , the loss_rate is : '.format(epoch + 1), loss_rate.item())
if epoch % 5 == 0:
model.eval() # 模型评估
acc_train = validate(model, train_dataset, batch_size)
acc_val = validate(model, val_dataset, batch_size)
print('After {} epochs , the acc_train is : '.format(epoch + 1), acc_train)
print('After {} epochs , the acc_val is : '.format(epoch + 1), acc_val) return model
五、完整代码
"""
CNN_face.py 基于卷积神经网络的面部表情识别(Pytorch实现)
"""
import torch
import torch.utils.data as data
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import numpy as np
import pandas as pd
import cv2 # 参数初始化
def gaussian_weights_init(m):
classname = m.__class__.__name__
# 字符串查找find，找不到返回-1，不等-1即字符串中含有该字符
if classname.find('Conv') != -1:
m.weight.data.normal_(0.0, 0.04) # 验证模型在验证集上的正确率
def validate(model, dataset, batch_size):
val_loader = data.DataLoader(dataset, batch_size)
result, num = 0.0, 0
for images, labels in val_loader:
pred = model.forward(images)
pred = np.argmax(pred.data.numpy(), axis=1)
labels = labels.data.numpy()
result += np.sum((pred == labels))
num += len(images)
acc = result / num
return acc class FaceDataset(data.Dataset):
# 初始化
def __init__(self, root):
super(FaceDataset, self).__init__()
self.root = root
df_path = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[0])
df_label = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[1])
self.path = np.array(df_path)[:, 0]
self.label = np.array(df_label)[:, 0] # 读取某幅图片，item为索引号
def __getitem__(self, item):
# 图像数据用于训练，需为tensor类型，label用numpy或list均可
face = cv2.imread(self.root + '\\' + self.path[item])
# 读取单通道灰度图
face_gray = cv2.cvtColor(face, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 直方图均衡化
face_hist = cv2.equalizeHist(face_gray)
"""
像素值标准化
读出的数据是48X48的，而后续卷积神经网络中nn.Conv2d() API所接受的数据格式是(batch_size, channel, width, higth)，
本次图片通道为1，因此我们要将48X48 reshape为1X48X48。
"""
face_normalized = face_hist.reshape(1, 48, 48) / 255.0
face_tensor = torch.from_numpy(face_normalized)
face_tensor = face_tensor.type('torch.FloatTensor')
label = self.label[item]
return face_tensor, label # 获取数据集样本个数
def __len__(self):
return self.path.shape[0] class FaceCNN(nn.Module):
# 初始化网络结构
def __init__(self):
super(FaceCNN, self).__init__() # 第一次卷积、池化
self.conv1 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1), # 卷积层
nn.BatchNorm2d(num_features=64), # 归一化
nn.RReLU(inplace=True), # 激活函数
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2), # 最大值池化
) # 第二次卷积、池化
self.conv2 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
nn.BatchNorm2d(num_features=128),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
) # 第三次卷积、池化
self.conv3 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
nn.BatchNorm2d(num_features=256),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
) # 参数初始化
self.conv1.apply(gaussian_weights_init)
self.conv2.apply(gaussian_weights_init)
self.conv3.apply(gaussian_weights_init) # 全连接层
self.fc = nn.Sequential(
nn.Dropout(p=0.2),
nn.Linear(in_features=256 * 6 * 6, out_features=4096),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.Dropout(p=0.5),
nn.Linear(in_features=4096, out_features=1024),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.Linear(in_features=1024, out_features=256),
nn.RReLU(inplace=True),
nn.Linear(in_features=256, out_features=7),
) # 前向传播
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.conv2(x)
x = self.conv3(x)
# 数据扁平化
x = x.view(x.shape[0], -1)
y = self.fc(x)
return y def train(train_dataset, val_dataset, batch_size, epochs, learning_rate, wt_decay):
# 载入数据并分割batch
train_loader = data.DataLoader(train_dataset, batch_size)
# 构建模型
model = FaceCNN()
# 损失函数
loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
# 优化器
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=wt_decay)
# 学习率衰减
# scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.8)
# 逐轮训练
for epoch in range(epochs):
# 记录损失值
loss_rate = 0
# scheduler.step() # 学习率衰减
model.train() # 模型训练
for images, labels in train_loader:
# 梯度清零
optimizer.zero_grad()
# 前向传播
output = model.forward(images)
# 误差计算
loss_rate = loss_function(output, labels)
# 误差的反向传播
loss_rate.backward()
# 更新参数
optimizer.step() # 打印每轮的损失
print('After {} epochs , the loss_rate is : '.format(epoch + 1), loss_rate.item())
if epoch % 5 == 0:
model.eval() # 模型评估
acc_train = validate(model, train_dataset, batch_size)
acc_val = validate(model, val_dataset, batch_size)
print('After {} epochs , the acc_train is : '.format(epoch + 1), acc_train)
print('After {} epochs , the acc_val is : '.format(epoch + 1), acc_val) return model def main():
# 数据集实例化(创建数据集)
train_dataset = FaceDataset(root='D:\PyCharm_Project\deep learning\model\cnn_train')
val_dataset = FaceDataset(root='D:\PyCharm_Project\deep learning\model\cnn_val')
# 超参数可自行指定
model = train(train_dataset, val_dataset, batch_size=128, epochs=100, learning_rate=0.1, wt_decay=0)
# 保存模型
torch.save(model, 'model_net.pkl') if __name__ == '__main__':
main()
以上程序代码的执行过程需要较长时间，目前我只能在CPU上跑程序，速度慢，算力不足，我差不多用了1天时间训练100轮，训练时间看不同电脑设备配置，如果在GPU上跑会快很多。
下面截取几个训练结果：
从结果可以看出，训练在60轮的时候，模型在训练集上的准确率达到99%以上，而在测试集上只有60%左右，很明显出现过拟合的情况，还可以进一步优化参数，使用正则等方法防止过拟合。另外，后面几十轮训练的提升很低，还需要找出原因。
这个过程我还在学习中，上面是目前达到的结果，希望之后能够把这个模型进一步优化，提高准确率。
小结：
学习了机器学习和深度学习有一段时间，基本上看的是李宏毅老师讲解的理论知识，还未真正去实现训练一个模型。这篇记录我第一次学习的项目过程，多有不足，还需不断实践。目前遇到的问题是：1、基本的理论知识能够理解，但是在公式推导和模型选择还未很好掌握。2、未具备训练一个模型的经验（代码实现），后续需要学习实战项目。
参考资料：
机器学习-李宏毅(2019)视频
https://ntumlta2019.github.io/ml-web-hw3/
https://www.cnblogs.com/HL-space/p/10888556.html
https://github.com/amineHorseman/facial-expression-recognition-using-cnn
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