理论

什么是图像分类？

图像分类指将不同图像划分为不同类别标签的过程。从计算机的视角来看，一张图片是一个值从0到255的矩阵，计算机对矩阵进行分析，得到类别结果，即计算机视觉的图像分类。

 

图像分类是计算机视觉领域最基础的问题，解决的问题是：给定一个图像，正确地给出图像所属类别，是最底层、最基本的任务，常作为其他任务的预处理或与其他任务融合在一起，目标检测也是图像分类的子任务。

 

可以说，计算机视觉基础模型的发展是图像分类提升任务的发展，做好图像分类任务，关系到后续更高阶的内容。

图像分类的应用场景非常丰富，比如图像识别APP，能够识别动物、植物，汽车的车型，水果、蔬菜等；比如iPhone手机上自带的照片自动分类功能；比如电商平台图像内容检索，用户每天可能会上传几万张鞋子图片，后台需要将照片进行分类处理，建立数据库，用户进行图像搜索时，能够实现更精准的搜索；另外，也可用于垃圾分类等场景。

 

总的来说，图像分类是用于识别某张图片是否为某个物体/状态/场景，适合图像中的主题或状态单一的场景。

图像的领域划分主要有：

• 多类别图像分类，指每个图像只属于其中一个类别，比如一张图像只能属于猫或只能属于狗。特点为具有较大的类间方差，较小的类内误差，是图像分类中最简单最基本的任务。

 

• 细粒度图像分类，比如两张图像中都是猫，但属于不同品种的猫，具有相似的外观和特征，类内差异比较大，因此分类难度更高。

 

• 多标签图像分类：每个图像都拥有两种以上的类别，比如一张图中既有猫也有狗，因此标签类别既是猫也是狗。

 

• 根据监督信息的不同，分为有监督、弱监督、无监督、自监督等学习：
  • 弱监督学习是机器学习中最经典的任务之一，在训练集中只有少数的标签数据，大部分为未标签数据，训练出的模型用来预测的测试集中有可能是有标签的，也有可能是无标签的；
  • 无监督图像分类指训练集中都是无标签的数据，训练出的模型用来预测的测试集中都是没有标签的。

 

• 0样本图像分类：也称为0样本学习模型，能够识别出训练阶段没有出现过的类别，即训练集和测试集在数据的类别上没有交集，是解决类别标签缺失的一种方法。比如图像中训练的数据只有马、老虎和熊猫三个类别的数据，0样本图像分类会通过已有的知识，比如马、老虎与熊猫的描述，对同时拥有马的形状、老虎的斑纹、熊猫的黑白颜色特征的动物识别为斑马。
  
  0样本图像分类指利用类别的高维语义特征来代替样本的低维特征，使得训练出来的模型具有迁移性。比如斑马的高维语义指马的外形、老虎的斑纹和熊猫的颜色，通过高维的语义刻画了斑马类别的特征，从而识别出模型从来没有见过的斑马图像。

传统图像分类的过程为：输入一张图片，手工提取特征，再使用分类器进行分类，最终输出分类的结果。

 

深度学习的图像分类过程为：将特征提取和分类器合并在一起，输入一张图像，自动提取特征，输出分类结果，是端到端的识别过程。

 

传统的图像分类与深度学习的图像分类过程大致一样，都是数据的预处理、特征提取、分类的过程。

上图为图像分类常用的评估指标。

标签值和预测值之间会产生4种组合，分别是：

• TP：标签为正样本，预测也为正样本。说明模型预测正确，是真正的正样本，也说明模型能够正确识别正样本。

 

• FN：标签为正样本，预测值为负样本，说明预测错误，是假的负样本。属于漏报了正样本。

 

• FP：标签为负样本，预测值为正样本，说明预测错误，是假的正样本。属于误报了负样本。

 

• TN：标签为负样本，预测也为负样本，说明模型正确预测了负样本，是真的负样本。

精度（也称为查准率）的定义为：预测为正样本的所有样本中，真正的正样本所占比例，P=TP/（TP+FP）。

 

召回率（也称为查全率）指预测为正样本的样本占所有正样本的比例，R=TP/（TP+FN）。

 

F1-score指综合考虑精度和召回率，是两者的调和平均，F1=2*P*R/(P+R)。

PR曲线是描述精度和召回率关系的曲线，横坐标是召回率，纵坐标是精度。精度和召回率是一对相互矛盾的指标，如果召回率增加，则精度下降；如果精度增加，则召回率下降。曲线和坐标轴围成的面积越大，说明模型的性能越好。但PR曲线对正负样本不均衡较为敏感，正负样本类别差异较大时，PR曲线会变化较严重。

为了解决PR曲线的问题，业内提出了ROC曲线，它涉及到两个基本指标，分别是：

• TPR：指预测的正样本中真实的正样本占所有正样本的比例。
• FPR：指预测的负样本中真实的负样本占所有负样本的比例。

ROC曲线对正负样本的不平衡问题不敏感。ROC曲线下的面积被称为AUC，AUC越大，说明模型的性能越好。ROC表示随机挑选正样本和负样本，分类器对正样本给出的预测值高于负样本的概率。

混淆矩阵描述了多类别分类模型各个类别之间的分类情况。

 

对于k分类问题，混淆矩阵为k*k的矩阵，元素Cij表示第i类样本被分类器预测为第j类的数量。混淆矩阵是分类任务常用的评估指标。对角线上是正确分类的样本数，其他是错误分类的样本数。对对角线上的值越大，说明正确率越高。

 

混淆矩阵可以非常直观地展示模型的表现情况，尤其是不同类别之间的混淆情况，能够清晰地反映出某样本会以多大概率被分为其他类别，直观地展示哪些类别之间比较容易混淆。

 

比如上图中的“21”表示标签值的类别为b、却被预测为d类别的样本数，说明模型很容易将类别b识别成类别d，需要针对性地对该种情况进行调整。

上图为图像分类常用的优化指标。

0-1损失指当预测值等于标签值时损失为1，否则损失为0。0-1损失也是非常直观的损失定义，是真实的优化目标。但无法求导，且不连续，无法进行反向传播，只有理论意义。

学术界更常用的是以熵为代表的分类损失。

 

熵表示热力学系统的无序程度，在信息学中用于表示信息的多少。不确定性越大，概率越低，则表示携带的信息越多，熵也越高。

 

常用的分类损失是交叉熵，用于衡量两个概率分布之间的相似性。假设有n个样本、m个类别，yij表示第i个样本，属于第j类的标签，f(Xij)表示第i个样本预测为第j类的概率。

 

可以将yij看作标签的概率分布，f(Xij)看作分类模型预测值的概率分布，交叉熵衡量主要用于两个概率分布之间的相似程度。

 

Softmax损失指：当f(Xij)为Softmax函数时，Softmax损失是交叉熵损失的特例。

KL散度通常用来估计两个分布之间的相似性。假设有两个分布p和q，则KL散度等于p和q的交叉熵加上p和p的交叉熵的负值。如果p是一个已知的分布，则-l(p,p)是一个常数，此时的KL散度与交叉熵l(p,q)只相差一个常数，因此它们是等价的。

上图为经典的开源数据集。其中PASCAL数据集常用于目标检测，也可以用来做图像的分类。ImageNet是图像分类最重要的数据集，很多的论文都将其作为训练后的测试基准。

 

图像分类CNN模型

CNN指卷积神经网络，借鉴人类视觉的基本原理，人类视觉具有分层的机制，与计算机的视觉相比，人类视觉从V1到V2到V4，抽象层次依次提升。人类观察一个物品，会先看到的边缘的线条，再看到的形状，再看到物体，最后抽象为某个事物。

 

CNN是由很多网络堆叠而成的模型，从图像输入到最后得到可以完成模式识别的高层特征，也是逐层抽象的过程。

 

在浅层，算子提取到的是浅层的特征，比如边缘特征和颜色；随着模型的加深，会逐渐提取到更深层的、抽象的特征。其中特征提取使用的便是神经网络，其核心为卷积的操作。

 

上图为单个卷积的示意图像。卷积的本质为：在输入特征图像上通过滑动窗口的方式进行乘加的求和。右上角是卷积层的示意图，假设输入为3个通道的特征图像，通过4*3个卷积核的权重，每一个卷积核都与输入的特征进行卷积，最终输出4个特征图像，以上便是一层的卷积。

上图展示了图像分类的经典CNN模型与发展历程。

 

CNN模型的开山之作是LeNet5，具有三个卷积层，两个池化层，两个全连接层，并且增加了非线性的映射，输入大小为32*32，经过一个卷积层、上采样、卷积层、上采样、卷积层，最后经过两个全连接层，输出分类的结果。该模型较为简单，深度只有3层。

 

深度学习真正爆发在于2012年提出的AlexNet模型网模型，它取得了ImageNet分类比赛的冠军，且分类准确率远远超过使用传统方法得到的分类结果，是真正意义上的现代神经网络。因此，2012年也成为深度学习的元年。

 

AlexNet共有5个卷积层，3个全连接层，同时使用了一些工程上的技巧，比如利使用多GPU的训练，利用两个GPU并行地对特征进行分别的训练，可以尽可能地使用更多的特征图像，并且能够减少计算量。另外，AlexNet第一次使用了ReLU的激活函数，加快了模型的收敛；还使用了LRN的归一化，增强了模型的泛化能力；引用了dropout正则，防止模型的过拟合和收敛；使用了数据增强，比如裁剪、反转等，提高了模型的泛化能力。且上述技巧到目前为止依然在使用，因此，它是真正意义上的现代的神经网络。

 

2014年，业内提出了VGG，相比AlexNet，它堆叠了更多的卷积层和池化层，并且增加了模型深度。首次使用了3*3的小卷积核，此前多为5*5或7*7的大卷积核，且第一次提出了1*1的小卷积核，网络更简洁，深度达到19层。

 

2015年，业内提出了具有划时代意义的模型ResNet（深度残差网络）。此前，网络层之间直接通过x来求得输出F（x），但是ResNet从输入x到输出多了一个连接，网络层建模输入和输出的差值，称为残差，输出变为输入与残差之和，通过该方式解决了网络深度增加导致梯度消失的问题，将神经网络加得更深，进一步增强了网络的表达能力。ResNet可以将网络增加至1000+层。

 

后续，基于ResNet发展出了更高精度、高效的模型结构，包括移动端上的高效模型比如MobelNet系列等。

上图左侧展示了当前所有分类模型在ImageNet上的分类性能情况。从AlexNet开始，图像分类的性能逐年不断提升，且每年都有大量模型结构被提出，特别是近几年，SOTA模型一直在刷新分类的精度。

 

右侧展示了当前TOP10的模型。可以看出，当前TOP10的模型已经不是CNN模型，而是Transformer模型。这也意味着Transformer是当前模型的新趋势。

 

图像分类Transformer模型

2017年，谷歌在自然语言领域中首次提出了Transformer模型。2020年，Transformer开始在自研语言领域中广泛应用。2020年10月，ViT模型被提出，该模型是自然语言领域中的Transformer在计算机视觉上的第一次应用。

 

在此之后，业界基于Transformer提出了许多不同的模型结构，也不断地刷新着模型的精度。

 

Transformer模型中，最为核心的是自注意力。

自注意力的计算流程和原理如上图所示：

 

输入向量后，经过线性变换（如右图公式），输出Q、K、V，K和V矩阵做内积运算得到注意力。注意力除以，d指输入向量的维度。q的矩阵乘以k的矩阵的值大小与维度成正比，为了使训练更稳定，因此此处除以。加上位置编码之后求softmax。得到的结果再与v做内积计算，得到自注意力。

 

上述流程可以类比于查询数据库的过程，q是查询的向量，k是键值，v是要查询的数据。q矩阵和k矩阵做内积，衡量两个矩阵之间的相似程度。使用查询向量与键值做对比，对比的结果即数据的索引，通过索引查找数据所在位置。

上图左侧为自注意力的示意图像，每个输入q和k做内积之后乘以v得到自助力的输出。

 

右侧为多头自注意力示意图，将q、k和v分为多个头，本示例分为两个头，每个头的q、k和v分别做自注意力的计算，最后得到多头自注意力的输出。相比自注意力，多头自注意力的表达能力更强，因此目前一般使用多头注意力作为自注意力的计算。

 

下文将介绍几个比较经典的Transformer模型。

Vit（Vision Transformer）模型，首次提出使用Transformer进行分类，是第一个纯Transformer的视觉模型，没有任何卷积，在大规模数据集上进行训练的结果优于之前的所有CNN。

 

Transformer主要在自然语言领域中应用的，要求输入序列，那么ViT如何将图像转换为序列？

 

采用的方式为：将输入图像分块，每一块视为一个向量，所有向量合并成为序列，经过线性映射之后，加入分类的token和位置编码，经过Transformer encoder编码，再使用分类的token和NLP进行分类。NLP是两个全连接层，即分类器。Transformer encode由L个基本单元堆叠而成，基本单元中输入的token首先经过nomal layer，再经过多头的注意力计算，最后经由NLP输出。模型过程较简洁。

 

ViT的缺点在于，必须使用较大规模的数据集才能得到较好的结果。上图示例中使用了3亿张图像，使用谷歌的8核TPU训练了一个月才得到结果，成本较高。

为了解决上述缺陷，业界推出了DeiT模型，它是一种训练策略，使用蒸馏的方式，帮助Transformer更快地学习到局部的信息，大幅降低了ViT训练的数据量，仅需140多万张数据集，使用8卡的GPU训练2-3天即可。

 

训练过程与ViT大致相似，区别在于额外加入了蒸馏的token，计算loss时，蒸馏的token和teacher模型的预测标签计算蒸馏的交叉熵损失，再加上分类的交叉熵损失作为模型的总损失。

 

总的来说，DeiT模型大幅减少了训练的数据量和训练成本。

ViT的模型的计算量很大，复杂度为输入分辨率的二次方。在ViT模的模型中，会将输入划分为多个patch（小的窗口）。在进行多头自注意力计算时，任何patch都要与其他所有的patch做自注意力的计算。因此当patch的大小固定时，计算量便与图片分辨率的平方成正比，计算量非常大。

 

而Swin中采用了W-MSA的方式。首先，将输入的图像分为多个窗口，不同的窗口包含相同数量的patch，比如这相的patch，只针对window里面的patch进行多头的注意力计算。图片大小增加时，计算量只成线性的增长。

 

然而，该种方式下，同一window之间的patch可以相互交互，但是不同window之间的信息无法交互，会降低模型的性能。

 

为了解决上述问题，学术界推出了滑动窗口（shifted window）的方式，将窗口进行偏移。

但偏移之后会出现空缺，需要采用了cyclic shift的方法进行填补，比如将左二图中浅色ABC部分的数据迁移到了对应的深色ABC区域，然后对不同区域进行以掩码计算，得到新的窗口，再做自注意力的计算。通过这种方式提高了计算速度，也提高了模型的性能。

实践

本次实战将演示在私有数据集上对模型进行微调训练，生产定制化模型的过程。

详细教程请点击：

https://blog.csdn.net/tantanweiwei/article/details/130139458

首先，进入ModelScope官网，登录。

搜索ViT图像分类-中文-日常物品，进入模型详细页面。

详情页包含模型的基本介绍。自建1300类常见物体标签体系，覆盖常见的日用品，动物，植物，家具，设备，食物等物体，标签从海量中文互联网社区语料进行提取，保留了出现频率较高的常见物体名称。模型结构采用最新的ViT-Base结构。

 

另外，也可以在官网的文档中心-模型详解-计算机视觉模型中找到对应的模型文档。

推理使用的示例代码非常简单，除了引用依赖包，仅需两行代码即可调用模型进行分类任务的测试。

页面右上方提供了在线模型的体验，可视化了推理的过程。可以上传图片或直接使用示例的图片进行测试。结果如上图所示，排在结果第一位的是柴犬，后面数字表示概率。

另外，还可以在创空间进行分类结果的可视化体验。点击上方创空间快速可视化展示即可体验。

创空间界面如上图所示。上传图片即可体验。

点击右上角NoteBook快速开发，选择CPU或GPU环境启动。

点击笔记本，创建python文件。

返回模型页，复制模型训练相关代码

在详情页复制数据集加载相关代码，替换上图选中的部分代码。

修改配置参数，将分类的类别数改为14。

将工作目录修改为当前的根目录下的vit_base_flower目录。

开始进行训练。

训练完成的结果显示如上图，topone的精度是87.75，TOP5的精度是98.97。

训练完成后的工作目录如上图所示。log文件中保存了训练的日志，configuration文件中保存了配置相关信息。best_accuracy_top-1_epoch_1中保存了训练集上精度最好的模型权重，为了后续对模型进行评估，需要将该文件重命名为pytorch_model_pt。

返回模型详情页，复制模型评估相关代码。

复制详情页中的数据集加载相关代码（上图选中部分），替换原代码中“加载用于评估的数据集”部分代码，重新加载数据的校验集。

将model_id修改为工作目录下的vit_base_flower。本次训练的只进行校验，因此训练的数据集设为空，只需填入使用评估的数据集。

 

执行代码，开始进行评估。

结果如上图，与训练之后的评估完全一直，TOP1是87.75，TOP5是98.97，可正常用。

 

接下来进行模型推理。

复制详情页代码。

在工作目录下上传一张图片，修改图片路径和模型路径如上图。执行代码。

结果显示如上图，TOP1是向日葵。但top5的概率较为接近，说明训练不够充分。实际训练时，可以将epoch调大，学习率调小，以得到更优化的结果。

在模型页面右上角点击创建创空间，填写相关信息，创建创空间。

创建后的页面如上图所示。

复制上图中git clone代码，将前面训练好的权重与配置文件拷贝过来，上传到的modelscode模型的空间中。

上传完成后页面如上图。

点击右上角，添加版本号，即可使用模型。

 

接下来测试发布到ModelScope上的模型是否可用。

复制模型页面下的代码并对其进行修改。

 

代码中的模型ID修改为创建的模型ID（页面左上角），图片地址修改为根目录下的测试图片。

 

创建创空间时选择了非公开模型，因此此处需要对模型进行授权，代码如下：

from modelscope.hub.api import HubApi
#YOUR_ACCESS_TOKEN =
'请从ModelScope个人中心->访问令牌获取’
#api= HubApi()
#api.login(YOUR_ACCESS_TOKEN)

另外，因为设置了模型的版本，需要重新写版本。最终修改后的代码如上图。

结果显示如上图，证明模型可以正常使用。

回到创空间，打开空间文件下的readme文件，可以直接复制其他模型的readme文件（如上图右侧所示）进行修改后使用。

 

需要修改模型ID，在创建的模型名称下方复制即可。entry_file指文件入口，本示例中不使用GPU进行推理，因此是GPU为0。

执行代码也可以从其他创空间模型中复制后进行修改使用。新建一个app.py文件，将代码粘贴至文件中。首先需要修改授权码。回调函数为interface，输入的类型为图片，输出为label类型，显示top5的结果，设置默认测试图片的地址。

复制前文的推理代码并进行修改。

输入的类型是图像，因此需要将 result=image_classification()内的参数修改为img。

在空间文件里点击上传文件，将app.py文件上传至创空间。

在设置里点击上线创空间。

至此，创空间搭建完毕。页面如上图所示。

点击图片，提交后会显示结果。

其他模型的训练流程与本文示例基本一致，主要区别在于使用的数据集不同。所有数据、模型、代码均已开源，欢迎进入Modelscope官网搜索使用。