Vim实战：使用Vim实现图像分类任务（一）_vim模型

摘要

论文：https://arxiv.org/pdf/2401.09417v1.pdf
近年来，随着深度学习的发展，视觉模型在许多任务中取得了显著的成功。然而，随着模型规模和复杂度的增加，计算和内存的消耗也急剧增长。这限制了模型在资源有限的环境中的使用，尤其是在处理高分辨率图像时。为了解决这个问题，一种新的视觉模型架构——Vim（Vision with Mamba）被提出。
Vim是一种基于状态空间模型（SSM）的视觉模型，利用了Mamba这种高效的硬件设计。SSM是一种动态系统模型，用于描述状态随时间的变化。Mamba则是针对SSM的一种硬件优化设计，可以提高计算效率和降低内存消耗。Vim通过将图像序列标记为位置嵌入，并使用双向SSM压缩视觉表示，从而实现了高效的视觉表示学习。
与传统的视觉模型相比，Vim具有更高的计算和内存效率。在ImageNet分类、COCO物体检测和ADE20K语义分割等任务上的实验表明，Vim的性能优于现有的视觉转换器模型，如DeiT。同时，Vim还具有更低的计算和内存消耗。例如，在批量推理时，Vim可以比DeiT快2.8倍，并节省86.8%的GPU内存，这使得它能够有效地处理高分辨率图像。

Vim作为一种高效的视觉模型，具有计算和内存效率高、处理高分辨率图像能力强等优点。这使得Vim成为下一代视觉基础模型的理想选择。

本文使用Vim模型实现图像分类任务，模型选择最小的vim_tiny_patch16_224_bimambav2_final_pool_mean_abs_pos_embed_rope_also_residual_with_cls_token（这个方法的名字比较长。。。。。），在植物幼苗分类任务ACC达到了93%+。

通过这篇文章能让你学到：

1. 如何使用数据增强，包括transforms的增强、CutOut、MixUp、CutMix等增强手段？
2. 如何实现Vim模型实现训练？
3. 如何使用pytorch自带混合精度？
4. 如何使用梯度裁剪防止梯度爆炸？
5. 如何使用DP多显卡训练？
6. 如何绘制loss和acc曲线？
7. 如何生成val的测评报告？
8. 如何编写测试脚本测试测试集？
9. 如何使用余弦退火策略调整学习率？
10. 如何使用AverageMeter类统计ACC和loss等自定义变量？
11. 如何理解和统计ACC1和ACC5？
12. 如何使用EMA？

如果基础薄弱，对上面的这些功能难以理解可以看我的专栏：经典主干网络精讲与实战
这个专栏，从零开始时，一步一步的讲解这些，让大家更容易接受。

安装包

安装timm

使用pip就行，命令：

pip install timm
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mixup增强和EMA用到了timm

数据增强Cutout和Mixup

为了提高成绩我在代码中加入Cutout和Mixup这两种增强方式。实现这两种增强需要安装torchtoolbox。安装命令：

pip install torchtoolbox
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Cutout实现，在transforms中。

from torchtoolbox.transform import Cutout
# 数据预处理
transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((224, 224)),
    Cutout(),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])

])
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需要导入包：from timm.data.mixup import Mixup，

定义Mixup，和SoftTargetCrossEntropy

  mixup_fn = Mixup(
    mixup_alpha=0.8, cutmix_alpha=1.0, cutmix_minmax=None,
    prob=0.1, switch_prob=0.5, mode='batch',
    label_smoothing=0.1, num_classes=12)
 criterion_train = SoftTargetCrossEntropy()
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Mixup 是一种在图像分类任务中常用的数据增强技术，它通过将两张图像以及其对应的标签进行线性组合来生成新的数据和标签。
参数详解：

mixup_alpha (float): mixup alpha 值，如果 > 0，则 mixup 处于活动状态。

cutmix_alpha (float)：cutmix alpha 值，如果 > 0，cutmix 处于活动状态。

cutmix_minmax (List[float])：cutmix 最小/最大图像比率，cutmix 处于活动状态，如果不是 None，则使用这个 vs alpha。

如果设置了 cutmix_minmax 则cutmix_alpha 默认为1.0

prob (float): 每批次或元素应用 mixup 或 cutmix 的概率。

switch_prob (float): 当两者都处于活动状态时切换cutmix 和mixup 的概率 。

mode (str): 如何应用 mixup/cutmix 参数（每个’batch’，‘pair’（元素对），‘elem’（元素）。

correct_lam (bool): 当 cutmix bbox 被图像边框剪裁时应用。 lambda 校正

label_smoothing (float)：将标签平滑应用于混合目标张量。

num_classes (int): 目标的类数。

EMA

EMA（Exponential Moving Average）是指数移动平均值。在深度学习中的做法是保存历史的一份参数，在一定训练阶段后，拿历史的参数给目前学习的参数做一次平滑。具体实现如下：

import logging
from collections import OrderedDict
from copy import deepcopy
import torch
import torch.nn as nn

_logger = logging.getLogger(__name__)

class ModelEma:
    def __init__(self, model, decay=0.9999, device='', resume=''):
        # make a copy of the model for accumulating moving average of weights
        self.ema = deepcopy(model)
        self.ema.eval()
        self.decay = decay
        self.device = device  # perform ema on different device from model if set
        if device:
            self.ema.to(device=device)
        self.ema_has_module = hasattr(self.ema, 'module')
        if resume:
            self._load_checkpoint(resume)
        for p in self.ema.parameters():
            p.requires_grad_(False)

    def _load_checkpoint(self, checkpoint_path):
        checkpoint = torch.load(checkpoint_path, map_location='cpu')
        assert isinstance(checkpoint, dict)
        if 'state_dict_ema' in checkpoint:
            new_state_dict = OrderedDict()
            for k, v in checkpoint['state_dict_ema'].items():
                # ema model may have been wrapped by DataParallel, and need module prefix
                if self.ema_has_module:
                    name = 'module.' + k if not k.startswith('module') else k
                else:
                    name = k
                new_state_dict[name] = v
            self.ema.load_state_dict(new_state_dict)
            _logger.info("Loaded state_dict_ema")
        else:
            _logger.warning("Failed to find state_dict_ema, starting from loaded model weights")

    def update(self, model):
        # correct a mismatch in state dict keys
        needs_module = hasattr(model, 'module') and not self.ema_has_module
        with torch.no_grad():
            msd = model.state_dict()
            for k, ema_v in self.ema.state_dict().items():
                if needs_module:
                    k = 'module.' + k
                model_v = msd[k].detach()
                if self.device:
                    model_v = model_v.to(device=self.device)
                ema_v.copy_(ema_v * self.decay + (1. - self.decay) * model_v)

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加入到模型中。

#初始化
if use_ema:
     model_ema = ModelEma(
            model_ft,
            decay=model_ema_decay,
            device='cpu',
            resume=resume)

# 训练过程中，更新完参数后，同步update shadow weights
def train():
    optimizer.step()
    if model_ema is not None:
        model_ema.update(model)


# 将model_ema传入验证函数中
val(model_ema.ema, DEVICE, test_loader)
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针对没有预训练的模型，容易出现EMA不上分的情况，这点大家要注意啊！

项目结构

Vim_Demo
├─data1
│  ├─Black-grass
│  ├─Charlock
│  ├─Cleavers
│  ├─Common Chickweed
│  ├─Common wheat
│  ├─Fat Hen
│  ├─Loose Silky-bent
│  ├─Maize
│  ├─Scentless Mayweed
│  ├─Shepherds Purse
│  ├─Small-flowered Cranesbill
│  └─Sugar beet
├─models
│  ├─models_mamba.py
│  └─rope.py
├─vim_tiny_73p1.pth
├─mean_std.py
├─makedata.py
├─train.py
└─test.py
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mean_std.py：计算mean和std的值。
makedata.py：生成数据集。
train.py:训练RevCol模型
models：来源官方代码，对面的代码做了一些适应性修改。
vim_tiny_73p1.pth：预训练权重

编译安装Vim环境

环境

系统：ubuntu22.04
CUDA：12.1
python：3.11
显卡驱动：545

安装过程

系统、CUDA和python的安装过程忽略，这些都能找到。

安装库文件

下载https://github.com/hustvl/Vim源码。
进入vim中，找到vim_requirements.txt文件，如下图：
打开vim_requirements.txt文件，按照要求安装缺失的库文件，如下：

addict==2.4.0
aiohttp==3.9.1
aiosignal==1.3.1
alembic==1.13.0
async-timeout==4.0.3
attrs==23.1.0
blinker==1.7.0
# causal-conv1d @ file:///home/zhulianghui/VisionProjects/mamba/lib/causal_conv1d-1.0.0%2Bcu118torch2.1cxx11abiFALSE-cp310-cp310-linux_x86_64.whl#sha256=79a4bab633ebff031e615d5e8ba396b0dc0c046f4406980ee238fb86a9090038
certifi==2023.11.17
charset-normalizer==3.3.2
click==8.1.7
cloudpickle==3.0.0
contourpy==1.2.0
cycler==0.12.1
databricks-cli==0.18.0
datasets==2.15.0
dill==0.3.7
docker==6.1.3
einops==0.7.0
entrypoints==0.4
filelock==3.13.1
Flask==3.0.0
fonttools==4.46.0
frozenlist==1.4.0
fsspec==2023.10.0
gitdb==4.0.11
GitPython==3.1.40
greenlet==3.0.2
gunicorn==21.2.0
huggingface-hub==0.19.4
idna==3.6
importlib-metadata==7.0.0
itsdangerous==2.1.2
Jinja2==3.1.2
joblib==1.3.2
kiwisolver==1.4.5
Mako==1.3.0
# mamba-ssm @ file:///home/zhulianghui/VisionProjects/mamba/lib/mamba_ssm-1.0.1%2Bcu118torch2.1cxx11abiFALSE-cp310-cp310-linux_x86_64.whl#sha256=71ad1b1eafb05a6e8a41fd82e046fe85511d6378fa3a583e55215b6aa1d65ab9
Markdown==3.5.1
MarkupSafe==2.1.3
matplotlib==3.8.2
mlflow==2.9.1
mmcv==1.3.8
mmsegmentation==0.14.1
mpmath==1.3.0
multidict==6.0.4
multiprocess==0.70.15
networkx==3.2.1
ninja==1.11.1.1
numpy==1.26.2
# nvidia-cublas-cu12==12.1.3.1
# nvidia-cuda-cupti-cu12==12.1.105
# nvidia-cuda-nvrtc-cu12==12.1.105
# nvidia-cuda-runtime-cu12==12.1.105
# nvidia-cudnn-cu12==8.9.2.26
# nvidia-cufft-cu12==11.0.2.54
# nvidia-curand-cu12==10.3.2.106
# nvidia-cusolver-cu12==11.4.5.107
# nvidia-cusparse-cu12==12.1.0.106
# nvidia-nccl-cu12==2.18.1
# nvidia-nvjitlink-cu12==12.3.101
# nvidia-nvtx-cu12==12.1.105
oauthlib==3.2.2
opencv-python==4.8.1.78
packaging==23.2
pandas==2.1.3
Pillow==10.1.0
platformdirs==4.1.0
prettytable==3.9.0
protobuf==4.25.1
pyarrow==14.0.1
pyarrow-hotfix==0.6
PyJWT==2.8.0
pyparsing==3.1.1
python-dateutil==2.8.2
python-hostlist==1.23.0
pytz==2023.3.post1
PyYAML==6.0.1
querystring-parser==1.2.4
regex==2023.10.3
requests==2.31.0
safetensors==0.4.1
scikit-learn==1.3.2
scipy==1.11.4
six==1.16.0
smmap==5.0.1
SQLAlchemy==2.0.23
sqlparse==0.4.4
sympy==1.12
tabulate==0.9.0
threadpoolctl==3.2.0
timm==0.4.12
tokenizers==0.15.0
tomli==2.0.1
# torch==2.1.1+cu118
# torchvision==0.16.1+cu118
tqdm==4.66.1
transformers==4.35.2
triton==2.1.0
typing_extensions==4.8.0
tzdata==2023.3
urllib3==2.1.0
wcwidth==0.2.12
websocket-client==1.7.0
Werkzeug==3.0.1
xxhash==3.4.1
yapf==0.40.2
yarl==1.9.4
zipp==3.17.0
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进入causal-conv1d文件夹，如下图：

执行命令：

pyhton setup.py install
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进入mamba文件夹下面，如下图：

执行命令：

pyhton setup.py install
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最终就可以完成编译了！

计算mean和std

为了使模型更加快速的收敛，我们需要计算出mean和std的值，新建mean_std.py,插入代码：

from torchvision.datasets import ImageFolder
import torch
from torchvision import transforms

def get_mean_and_std(train_data):
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
        train_data, batch_size=1, shuffle=False, num_workers=0,
        pin_memory=True)
    mean = torch.zeros(3)
    std = torch.zeros(3)
    for X, _ in train_loader:
        for d in range(3):
            mean[d] += X[:, d, :, :].mean()
            std[d] += X[:, d, :, :].std()
    mean.div_(len(train_data))
    std.div_(len(train_data))
    return list(mean.numpy()), list(std.numpy())

if __name__ == '__main__':
    train_dataset = ImageFolder(root=r'data1', transform=transforms.ToTensor())
    print(get_mean_and_std(train_dataset))
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数据集结构：

运行结果：

([0.3281186, 0.28937867, 0.20702125], [0.09407319, 0.09732835, 0.106712654])
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把这个结果记录下来，后面要用！

生成数据集

我们整理还的图像分类的数据集结构是这样的

data
├─Black-grass
├─Charlock
├─Cleavers
├─Common Chickweed
├─Common wheat
├─Fat Hen
├─Loose Silky-bent
├─Maize
├─Scentless Mayweed
├─Shepherds Purse
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pytorch和keras默认加载方式是ImageNet数据集格式，格式是

├─data
│  ├─val
│  │   ├─Black-grass
│  │   ├─Charlock
│  │   ├─Cleavers
│  │   ├─Common Chickweed
│  │   ├─Common wheat
│  │   ├─Fat Hen
│  │   ├─Loose Silky-bent
│  │   ├─Maize
│  │   ├─Scentless Mayweed
│  │   ├─Shepherds Purse
│  │   ├─Small-flowered Cranesbill
│  │   └─Sugar beet
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│      ├─Black-grass
│      ├─Charlock
│      ├─Cleavers
│      ├─Common Chickweed
│      ├─Common wheat
│      ├─Fat Hen
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│      ├─Maize
│      ├─Scentless Mayweed
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新增格式转化脚本makedata.py,插入代码：

import glob
import os
import shutil

image_list=glob.glob('data1/*/*.png')
print(image_list)
file_dir='data'
if os.path.exists(file_dir):
    print('true')
    #os.rmdir(file_dir)
    shutil.rmtree(file_dir)#删除再建立
    os.makedirs(file_dir)
else:
    os.makedirs(file_dir)

from sklearn.model_selection import train_test_split
trainval_files, val_files = train_test_split(image_list, test_size=0.3, random_state=42)
train_dir='train'
val_dir='val'
train_root=os.path.join(file_dir,train_dir)
val_root=os.path.join(file_dir,val_dir)
for file in trainval_files:
    file_class=file.replace("\\","/").split('/')[-2]
    file_name=file.replace("\\","/").split('/')[-1]
    file_class=os.path.join(train_root,file_class)
    if not os.path.isdir(file_class):
        os.makedirs(file_class)
    shutil.copy(file, file_class + '/' + file_name)

for file in val_files:
    file_class=file.replace("\\","/").split('/')[-2]
    file_name=file.replace("\\","/").split('/')[-1]
    file_class=os.path.join(val_root,file_class)
    if not os.path.isdir(file_class):
        os.makedirs(file_class)
    shutil.copy(file, file_class + '/' + file_name)
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完成上面的内容就可以开启训练和测试了。