【深度域自适应】二、利用DANN实现MNIST和MNIST-M数据集迁移训练
前言
在前一篇文章 【深度域自适应】一、DANN与梯度反转层（GRL）详解 中，我们主要讲解了DANN的网络架构与梯度反转层（GRL）的基本原理，接下来这篇文章中我们将主要复现DANN论文 Unsupervised Domain Adaptation by Backpropagation 中MNIST和MNIST-M数据集的迁移训练实验。
一、MNIST和MNIST-M介绍
为了利用DANN实现MNIST和MNIST-M数据集的迁移训练，我们首先需要获取到MNIST和MNIST-M数据集。其中MNIST数据集很容易获取，官网下载链接为： MNSIT 。需要下载的文件如下图所示蓝色的4个文件。
由于tensorflow和keras深度融合，我们可以通过keras的相关API进行MNIST数据集，如下：
from tensorflow.keras.datasets import mnist
# 导入MNIST数据集
(X_train,y_train),(X_test,y_test) = mnist.load_data()MNIST-M数据集由MNIST数字与BSDS500数据集中的随机色块混合而成。那么要像生成MNIST-M数据集，请首先下载BSDS500数据集。BSDS500数据集的官方下载地址为： BSDS500 。 以下是BSDS500数据集官方网址相关截图，点击下图中蓝框的连接即可下载数据。
下载好BSDS500数据集后，我们必须根据MNIST和BSDS500数据集来生成MNIST-M数据集，生成数据集的脚本
create_mnistm.py
如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2021/7/24 下午1:50
# @Author : Dai Pu wei
# @Email : [email protected]
# @File : create_mnistm.py
# @Software: PyCharm
from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
import os
import tarfile
import numpy as np
import pickle as pkl
import skimage.io
import skimage.transform
from tensorflow.keras.datasets import mnist
rand = np.random.RandomState(42)
def compose_image(mnist_data, background_data):
这是将MNIST数据和BSDS500数据进行融合成MNIST-M数据的函数
:param mnist_data: MNIST数据
:param background_data: BDSD500数据，作为背景图像
:return:
# 随机融合MNIST数据和BSDS500数据
w, h, _ = background_data.shape
dw, dh, _ = mnist_data.shape
x = np.random.randint(0, w - dw)
y = np.random.randint(0, h - dh)
bg = background_data[x:x + dw, y:y + dh]
return np.abs(bg - mnist_data).astype(np.uint8)
def mnist_to_img(x):
这是实现MNIST数据格式转换的函数，0/1数据位转化为RGB数据集
:param x: 0/1格式MNIST数据
:return:
x = (x > 0).astype(np.float32)
d = x.reshape([28, 28, 1]) * 255
return np.concatenate([d, d, d], 2)
def create_mnistm(X,background_data):
这是生成MNIST-M数据集的函数，MNIST-M数据集介绍可见：
http://jmlr.org/papers/volume17/15-239/15-239.pdf
:param X: MNIST数据集
:param background_data: BSDS500数据集，作为背景
:return:
# 遍历所有MNIST数据集，生成MNIST-M数据集
X_ = np.zeros([X.shape[0], 28, 28, 3], np.uint8)
for i in range(X.shape[0]):
if i % 1000 == 0:
print('Processing example', i)
# 随机选择背景图像
bg_img = rand.choice(background_data)
# 0/1数据位格式MNIST数据转换为RGB格式
mnist_image = mnist_to_img(X[i])
# 将MNIST数据和BSDS500数据背景进行融合
mnist_image = compose_image(mnist_image, bg_img)
X_[i] = mnist_image
return X_
def run_main():
这是主函数
# 初始化路径
BST_PATH = os.path.abspath('./model_data/dataset/BSR_bsds500.tgz')
mnist_dir = os.path.abspath("model_data/dataset/MNIST")
mnistm_dir = os.path.abspath("model_data/dataset/MNIST_M")
# 导入MNIST数据集
(X_train,y_train),(X_test,y_test) = mnist.load_data()
# 加载BSDS500数据集
f = tarfile.open(BST_PATH)
train_files = []
for name in f.getnames():
if name.startswith('BSR/BSDS500/data/images/train/'):
train_files.append(name)
print('Loading BSR training images')
background_data = []
for name in train_files:
fp = f.extractfile(name)
bg_img = skimage.io.imread(fp)
background_data.append(bg_img)
except:
continue
# 生成MNIST-M训练数据集和验证数据集
print('Building train set...')
train = create_mnistm(X_train,background_data)
print(np.shape(train))
print('Building validation set...')
valid = create_mnistm(X_test,background_data)
print(np.shape(valid))
# 将MNIST数据集转化为RGB格式
X_train = np.expand_dims(X_train,-1)
X_test = np.expand_dims(X_test,-1)
X_train = np.concatenate([X_train,X_train,X_train],axis=3)
X_test = np.concatenate([X_test,X_test,X_test],axis=3)
y_train = np.array(y_train).astype(np.int32)
y_test = np.array(y_test).astype(np.int32)
# 保存MNIST数据集为pkl文件
if not os.path.exists(mnist_dir):
os.mkdir(mnist_dir)
with open(os.path.join(mnist_dir, 'mnist_data.pkl'), 'wb') as f:
pkl.dump({'train': X_train,
'train_label': y_train,
'val': X_test,
'val_label':y_test}, f, pkl.HIGHEST_PROTOCOL)
# 保存MNIST-M数据集为pkl文件
if not os.path.exists(mnistm_dir):
os.mkdir(mnistm_dir)
with open(os.path.join(mnistm_dir, 'mnist_m_data.pkl'), 'wb') as f:
pkl.dump({'train': train,
'train_label':y_train,
'val': valid,
'val_label':y_test}, f, pkl.HIGHEST_PROTOCOL)
# 计算数据集平均值，用于数据标准化
print(np.shape(X_train))
print(np.shape(X_test))
print(np.shape(train))
print(np.shape(valid))
print(np.shape(y_train))
print(np.shape(y_test))
pixel_mean = np.vstack([X_train,train,X_test,valid]).mean((0,1,2))
print(np.shape(pixel_mean))
print(pixel_mean)
if __name__ == '__main__':
run_main()二、参数配置类config
由于整个DANN-MNIST网络的训练过程中涉及到很多超参数，因此为了整个项目的编程方便，我们利用面向对象的思想将所有的超参数放置到一个类中，即参数配置类config。这个参数配置类config的代码如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2020/2/15 15:05
# @Author : Dai PuWei
# @Email : [email protected]
# @File : config.py
# @Software: PyCharm
import os
class config(object):
__defualt_dict__ = {
"pre_model_path":None,
"checkpoints_dir":os.path.abspath("./checkpoints"),
"logs_dir":os.path.abspath("./logs"),
"config_dir":os.path.abspath("./config"),
"image_input_shape":(28,28,3),
"image_size":28,
"init_learning_rate": 1e-2,
"momentum_rate":0.9,
"batch_size":256,
"epoch":500,
"pixel_mean":[45.652287,45.652287,45.652287],
def __init__(self,**kwargs):
这是参数配置类的初始化函数
:param kwargs: 参数字典
# 初始化相关配置参数
self.__dict__.update(self. __defualt_dict__)
# 根据相关传入参数进行参数更新
self.__dict__.update(kwargs)
if not os.path.exists(self.checkpoints_dir):
os.makedirs(self.checkpoints_dir)
if not os.path.exists(self.logs_dir):
os.makedirs(self.logs_dir)
if not os.path.exists(self.config_dir):
os.makedirs(self.config_dir)
def set(self,**kwargs):
这是参数配置的设置函数
:param kwargs: 参数字典
:return:
# 根据相关传入参数进行参数更新
self.__dict__.update(kwargs)
def save_config(self,time):
这是保存参数配置类的函数
:param time: 时间点字符串
:return:
# 更新相关目录
self.checkpoints_dir = os.path.join(self.checkpoints_dir,time)
self.logs_dir = os.path.join(self.logs_dir,time)
self.config_dir = os.path.join(self.config_dir,time)
if not os.path.exists(self.config_dir):
os.makedirs(self.config_dir)
if not os.path.exists(self.checkpoints_dir):
os.makedirs(self.checkpoints_dir)
if not os.path.exists(self.logs_dir):
os.makedirs(self.logs_dir)
config_txt_path = os.path.join(self.config_dir,"config.txt")
with open(config_txt_path,'a') as f:
for key,value in self.__dict__.items():
if key in ["checkpoints_dir","logs_dir","config_dir"]:
value = os.path.join(value,time)
s = key+": "+value+"\n"
f.write(s)三、梯度反转层(GradientReversalLayer)
在DANN中比较重要的模块就是梯度反转层(Gradient Reversal Layer, GRL)的实现。GRL的tf2.x代码实现如下：
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.layers import Layer
@tf.custom_gradient
def gradient_reversal(x,alpha=1.0):
def grad(dy):
return -dy * alpha, None
return x, grad
class GradientReversalLayer(Layer):
def __init__(self,**kwargs):
这是梯度反转层的初始化函数
:param kwargs: 参数字典
super(GradientReversalLayer,self).__init__(kwargs)
def call(self, x,alpha=1.0):
这是梯度反转层的初始化函数
:param x: 输入张量
:param alpha: alpha系数，默认为1
:return:
return gradient_reversal(x,alpha)在上述代码中@ops.RegisterGradient(grad_name)修饰 _flip_gradients(op, grad)函数，即自定义该层的梯度取反。同时gradient_override_map函数主要用于解决使用自己定义的函数方式来求梯度的问题，gradient_override_map函数的参数值为一个字典。即字典中value表示使用该值表示的函数代替key表示的函数进行梯度运算。
四、 DANN类代码
DANN论文 Unsupervised Domain Adaptation by Backpropagation 中给出MNIST和MNIST-M数据集的迁移训练实验的网络，网络架构图如下图所示。 接下来，我们将利用tensorflow2.4.0来搭建整个DANN-MNIST网络，DANN-MNIST网络结构代码如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2020/2/14 20:27
# @Author : Dai PuWei
# @Email : [email protected]
# @File : MNIST2MNIST_M.py
# @Software: PyCharm
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.layers import Dense
from tensorflow.keras.layers import Conv2D
from tensorflow.keras.layers import Flatten
from tensorflow.keras.layers import MaxPool2D
from tensorflow.keras.layers import Activation
def build_feature_extractor():
这是特征提取子网络的构建函数
:param image_input: 图像输入张量
:param name: 输出特征名称
:return:
model = tf.keras.Sequential([Conv2D(filters=32, kernel_size=5,strides=1),
#tf.keras.layers.BatchNormalization(),
Activation('relu'),
MaxPool2D(pool_size=(2, 2), strides=2),
Conv2D(filters=48, kernel_size=5,strides=1),
#tf.keras.layers.BatchNormalization(),
Activation('relu'),
MaxPool2D(pool_size=(2, 2), strides=2),
Flatten(),
return model
def build_image_classify_extractor():
这是搭建图像分类器模型的函数
:param image_classify_feature: 图像分类特征张量
:return:
model = tf.keras.Sequential([Dense(100),
#tf.keras.layers.BatchNormalization(),
Activation('relu'),
#tf.keras.layers.Dropout(0.5),
Dense(100,activation='relu'),
#tf.keras.layers.Dropout(0.5),
Dense(10,activation='softmax',name="image_cls_pred"),
return model
def build_domain_classify_extractor():
这是搭建域分类器的函数
:param domain_classify_feature: 域分类特征张量
:return:
# 搭建域分类器
model = tf.keras.Sequential([Dense(100),