FRN——小样本学习SOTA模型

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一、论文概述

论文Few-Shot Classification with Feature Map Reconstruction Networks是顶会CVPR2021上发表的一种小样本学习经典方法。该方法在小样本学习的benchmark上依然具有最佳的性能指标，是该领域的重要方法。

FRN将小样本分类问题归结为潜在空间中的特征重构问题。作者认为，通过支持样本重构查询样本特征的能力，决定了查询样本的所属类别。作者在小样本学习中引入了一种新的机制，以闭合解的形式从支持样本特征直接向查询样本特征做回归，无需引入新的模块或者大规模的训练参数。上述方法得到的模型（FRN），相比先前的其他方法，无论在计算效率上还是性能表现上都更有优势。FRN在四个细粒度数据集上展现出实质性提升。在通用的粗粒度数据集mini-ImageNet和tiered-ImageNet上，也达到了SOTA指标。

下图展示了FRN的基本工作流程。

二、复现精度

基于paddlepaddle深度学习框架，对文献算法进行复现后，本项目在mini-ImageNet上达到的测试精度，如下表所示。

模型训练包括了两个过程，首先是模型预训练，按照典型分类网络的训练过程，将整个训练集送入backbone进行训练；然后是微调过程，按照episode training的训练范式，配置为20-Way 5-Shot方式进行微调训练。这两个训练过程的训练超参数设置如下：

（1）预训练过程

（2）微调训练过程

三、数据集

miniImageNet数据集节选自ImageNet数据集。
DeepMind团队首次将miniImageNet数据集用于小样本学习研究，从此miniImageNet成为了元学习和小样本领域的基准数据集。
关于该数据集的介绍可以参考https://blog.csdn.net/wangkaidehao/article/details/105531837

miniImageNet是由Oriol Vinyals等在Matching Networks
中首次提出的，该文献是小样本分类任务的开山制作，也是本次复现论文关于该数据集的参考文献。在Matching Networks中，
作者提出对ImageNet中的类别和样本进行抽取（参见其Appendix B），形成了一个数据子集，将其命名为miniImageNet。
划分方法，作者仅给出了一个文本文件进行说明。
Vinyals在文中指明了miniImageNet图片尺寸为84×84。因此，后续小样本领域的研究者，均是基于原始图像，在代码中进行预处理，
将图像缩放到84×84的规格。

至于如何缩放到84×84，本领域研究者各有各的方法，通常与研究者的个人理解相关，但一般对实验结果影响不大。本次文献论文原文，未能给出
miniImageNet的具体实现方法，本项目即参考领域内较为通用的预处理方法进行处理。

• 数据集大小：
  • miniImageNet包含100类共60000张彩色图片，其中每类有600个样本。
    mini-imagenet一共有2.86GB
• 数据格式：

|- miniImagenet
|  |- images/
|  |  |- n0153282900000005.jpg 
|  |  |- n0153282900000006.jpg
|  |  |- …
|  |- train.csv
|  |- test.csv
|  |- val.csv

数据集链接：miniImagenet

四、环境依赖

• 硬件：

  • x86 cpu
  • NVIDIA GPU

• 框架：

  • PaddlePaddle = 2.4

• 其他依赖项：

  • numpy==1.19.3
  • tqdm==4.59.0
  • Pillow==8.3.1

五、快速开始

1、解压数据集和源代码：

!unzip -n -d ./data/ ./data/data105646/mini-imagenet-sxc.zip

%cd /home/aistudio/
!unzip -n -d ./data/ ./data/data105646/mini-imagenet-sxc.zip

%cd /home/aistudio/work/
!unzip -o frn.zip

# 生成json文件
!cp write_miniImagenet_filelist.py /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc/
%cd /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc/
!python write_miniImagenet_filelist.py

2、执行以下命令启动预训练：

python pretrain.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --method stl_frn --lr 1e-1 --gamma 1e-1 --epoch 350 --milestones 200 300 --batch_size 512 --val_n_episode 600 --image_size 84 --model ResNet12 --n_shot 1 --n_query 15 --gpu

模型开始训练，运行完毕后，训练log和模型参数保存在./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_stl_frn_pretrain/目录下，分别是:

best_model.pdparams  # 最优模型参数文件
output.log  # 训练LOG信息

训练完成后，可将上述文件手动保存到其他目录下，避免被后续训练操作覆盖。

%cd /home/aistudio/work
!python pretrain.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --method stl_frn --lr 1e-1 --gamma 1e-1 --epoch 350 --milestones 200 300 --batch_size 512 --val_n_episode 600 --image_size 84 --model ResNet12 --n_shot 1 --n_query 15   --gpu

3、执行以下命令启动微调训练：

python meta_train.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --method meta_frn --lr 1e-3 --gamma 1e-1 --epoch 150 --train_n_episode 1000 --val_n_episode 600 --milestones 70 120 --image_size 84 --model ResNet12 --train_n_way 20 --val_n_way 5 --n_shot 5 --n_query 15 --gpu --pretrain_path ./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_stl_frn_pretrain/best_model.pdparams

模型开始训练，运行完毕后，训练log和模型参数保存在./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_meta_frn_20way_5shot_metatrain/目录下，分别是:

best_model.pdparams  # 最优模型参数文件
output.log  # 训练LOG信息

训练完成后，可将上述文件手动保存到其他目录下，避免被后续训练操作覆盖。

%cd /home/aistudio/work
!python meta_train.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --method meta_frn --lr 1e-3 --gamma 1e-1 --epoch 150 --train_n_episode 1000 --val_n_episode 600 --milestones 70 120 --image_size 84 --model ResNet12 --train_n_way 20 --val_n_way 5 --n_shot 5 --n_query 15 --gpu --pretrain_path ./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_stl_frn_pretrain/best_model.pdparams

4、执行以下命令进行评估

python test.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --model ResNet12 --method meta_frn --image_size 84 --gpu --n_shot 1 --model_path ./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_meta_frn_20way_5shot_metatrain/best_model.pdparams --test_task_nums 1 --test_n_episode 600

用于评估模型在小样本任务下的精度。

# 5-Way 1-Shot评估
%cd /home/aistudio/work
!python test.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --model ResNet12 --method meta_frn --image_size 84 --gpu --n_shot 1 --model_path ./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_meta_frn_20way_5shot_metatrain/best_model.pdparams --test_task_nums 1 --test_n_episode 600

# 5-Way 5-Shot评估
%cd /home/aistudio/work
!python test.py --dataset mini_imagenet --data_path /home/aistudio/data/mini-imagenet-sxc --model ResNet12 --method meta_frn --image_size 84 --gpu --n_shot 5 --model_path ./checkpoints/mini_imagenet/ResNet12_meta_frn_20way_5shot_metatrain/best_model.pdparams --test_task_nums 1 --test_n_episode 600

六、代码结构与详细说明

6.1 代码结构

├── data                               # 数据处理相关
│   ├── datamgr.py                       # data manager模块
│   ├── dataset.py                       # data set模块
├── methods                             # 模型相关
│   ├── FRN.py                          # FRN核心算法
├── network                             # backbone
│   ├── conv.py                         # Conv-4和Conv-6代码实现
│   ├── resnet.py                        # ResNet-12代码实现
├── scripts                             # 运行工程脚本
│   ├── mini_imagenet                     
│   │   ├── run_frn                     
│   │   │   ├── run_frn_metatrain.sh         # 运行微调训练
│   │   │   ├── run_frn_pretrain.sh          # 运行预训练
│   │   │   ├── run_frn_test.sh            # 运行测试
├── meta_train.py                         # 微调训练代码
├── pretrain.py                          # 预训练代码
├── test.py                             # 测试代码
├── utils.py                            # 公共调用函数
├── wirite_miniImagenet_filelist.py             # 生成mini-ImageNet数据json文件

6.2 参数说明

可以在 pretrain.py 中设置训练与评估相关参数，具体如下：

6.3 训练流程

可参考快速开始章节中的描述

训练输出

执行训练开始后，将得到类似如下的输出。每一轮epoch训练将会打印当前training loss、training acc、val loss、val acc以及训练kl散度。

Epoch 0 | Batch 0/150 | Loss 4.158544
best model! save...
val loss is 0.00, val acc is 37.46
model best acc is 37.46, best acc epoch is 0
This epoch use 7.61 minutes
train loss is 3.72, train acc is 10.84
Epoch 1 | Batch 0/150 | Loss 3.052964
val loss is 0.00, val acc is 37.46
model best acc is 37.46, best acc epoch is 0
This epoch use 3.73 minutes
train loss is 2.96, train acc is 25.28
Epoch 2 | Batch 0/150 | Loss 2.588413
val loss is 0.00, val acc is 37.46
model best acc is 37.46, best acc epoch is 0
This epoch use 3.71 minutes
train loss is 2.59, train acc is 33.27
...

6.4 测试流程

可参考快速开始章节中的描述

此时的输出为：

八、模型信息

训练完成后，模型和相关LOG保存在./results/5w1s和./results/5w5s目录下。

训练和测试日志保存在results目录下。

请点击此处查看本环境基本用法.

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