基于pytorch_lightning测试resnet18不同激活方式在CIFAR10数据集上的精度

基于pytorch_lightning测试resnet18不同激活方式在CIFAR10数据集上的精度

  • 一.曲线
    • 1.train_acc
    • 2.val_acc
    • 3.train_loss
    • 4.lr
  • 二.代码

本文介绍了如何基于pytorch_lightning测试resnet18不同激活方式在CIFAR10数据集上的精度
特别说明:
1.NoActive:没有任何激活函数
2.SparseActivation:只保留topk的激活,其余清零,topk通过训练得到[初衷是想让激活变得稀疏]
3.SelectiveActive:通过训练得到使用的激活函数
可参考的代码片段
1.pytorch_lightning 如何使用
2.pytorch如何替换激活函数
3.如何对自定义权值做衰减

一.曲线

1.train_acc

在这里插入图片描述

2.val_acc

在这里插入图片描述

3.train_loss

在这里插入图片描述

4.lr

在这里插入图片描述

二.代码

from __future__ import print_function
import argparse
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.optim.lr_scheduler import CosineAnnealingWarmRestarts
import pytorch_lightning as pl
from torch.utils.data import DataLoader
import torch.optim as optim
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision.models as models
import os
import numpy as np
from pytorch_lightning.loggers import TensorBoardLogger

#torch.set_float32_matmul_precision('medium')

class ResidualBlock(nn.Module):
    def __init__(self, inchannel, outchannel, stride=1):
        super(ResidualBlock, self).__init__()
        self.left = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(inchannel, outchannel, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(outchannel),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(outchannel, outchannel, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(outchannel)
        )
        self.shortcut = nn.Sequential()
        if stride != 1 or inchannel != outchannel:
            self.shortcut = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(inchannel, outchannel, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(outchannel)
            )
        self.act=nn.ReLU()

    def forward(self, x):
        out = self.left(x)
        out += self.shortcut(x)
        out = self.act(out)
        return out

class ResNet(nn.Module):
    def __init__(self, ResidualBlock, num_classes=10):
        super(ResNet, self).__init__()
        self.inchannel = 64
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(),
        )
        self.layer1 = self.make_layer(ResidualBlock, 64,  2, stride=1)
        self.layer2 = self.make_layer(ResidualBlock, 128, 2, stride=2)
        self.layer3 = self.make_layer(ResidualBlock, 256, 2, stride=2)
        self.layer4 = self.make_layer(ResidualBlock, 512, 2, stride=2)
        self.fc = nn.Linear(512, num_classes)
        self.dropout=nn.Dropout(0.5)

    def make_layer(self, block, channels, num_blocks, stride):
        strides = [stride] + [1] * (num_blocks - 1)
        layers = []
        for stride in strides:
            layers.append(block(self.inchannel, channels, stride))
            self.inchannel = channels
        return nn.Sequential(*layers)

    def forward(self, x):
        out = self.conv1(x)
        out = self.layer1(out)
        out = self.layer2(out)
        out = self.layer3(out)
        out = self.layer4(out)
        out = F.avg_pool2d(out, 4)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.dropout(out)
        out = self.fc(out)
        return out
  
class SparseActivation(nn.Module):
    act_array=[x.cuda() for x in [nn.ReLU(),
                nn.ReLU6(),
                nn.Sigmoid(),
                nn.Hardsigmoid(),
                nn.GELU(),
                nn.SiLU(),
                nn.Mish(),
                nn.LeakyReLU(),
                nn.Hardswish(),
                nn.PReLU(),
                nn.SELU(),
                nn.Softplus(),
                nn.Softsign()]]
                    
    def __init__(self,args):
        super(SparseActivation, self).__init__()
        self.input_weights = nn.Parameter(torch.randn(1)).cuda()
        self.act=SparseActivation.act_array
        self.act_weights = nn.Parameter(torch.randn(len(self.act))).cuda()
        self.args=args
        
    def forward(self, x):        
        
        index=self.args.act
        if index>=0:
            index=index-1
            if index==-1:
                prob=F.softmax(self.act_weights,dim=0)
                _, index = torch.topk(prob, 1, dim=0)
            x=self.act[index](x)
        
        if self.args.sparse==0:
            return x
            
        input=x.flatten(1)
        input_weights = torch.sigmoid(self.input_weights)        
        topk = input.size(1)*input_weights
        topk=topk.int()
        topk_vals, topk_indices = torch.topk(input, topk, dim=1)
        mask = torch.zeros_like(input).scatter(1, topk_indices, topk_vals)
        return mask.reshape(x.shape)
            
class LitNet(pl.LightningModule):
    def __init__(self, args):
        super(LitNet, self).__init__()
        self.save_hyperparameters()
        self.args = args
        self.resnet18 = ResNet(ResidualBlock)
        self.criterion = nn.CrossEntropyLoss()
        self.ws=[]
        self.replace_activation(self.resnet18,nn.ReLU, SparseActivation,self.ws)    
        
    def replace_activation(self,module, old_activation, new_activation,ws):
        for name, child in module.named_children():
            if isinstance(child, old_activation):
                op=new_activation(self.args)
                ws.append(op.input_weights)
                setattr(module, name,op)
            else:
                self.replace_activation(child, old_activation, new_activation,ws)        
        
    def forward(self, x):
        return self.resnet18(x)

    def on_train_epoch_start(self):
        self.train_total_loss=[]
        self.train_total_acc=[]

    def on_train_epoch_end(self):
        self.log('epoch_train_loss', np.mean(self.train_total_loss))
        self.log('epoch_train_acc', np.mean(self.train_total_acc)) 
        self.log("lr",self.optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr'])
        
    def training_step(self, batch, batch_idx):
        data, target = batch
        output = self(data)
        loss = self.criterion(output, target)
        
        l2_reg = torch.tensor(0.).cuda()
        l2_lambda=0.001
        for param in self.ws:
            l2_reg += torch.norm(param+4)                    
        loss += l2_lambda * l2_reg        
        self.log('iter_train_loss', loss)

        _, predicted = torch.max(output.data, 1)
        correct = (predicted == target).sum()
        acc = 100. * correct / target.size(0)      
        self.train_total_loss.append(loss.item())
        self.train_total_acc.append(acc.item())
        
        return loss       

    def on_validation_epoch_start(self):
        self.val_total_loss=[]
        self.val_total_acc=[]

    def on_validation_epoch_end(self):
        self.log('epoch_val_loss', np.mean(self.val_total_loss))
        self.log('epoch_val_acc', np.mean(self.val_total_acc))

    def validation_step(self, batch, batch_idx):
        data, target = batch
        output = self(data)
        _, predicted = torch.max(output.data, 1)
        correct = (predicted == target).sum()
        acc = 100. * correct / target.size(0)
        loss = self.criterion(output, target)        
        self.val_total_loss.append(loss.item())
        self.val_total_acc.append(acc.item())

    def test_step(self, batch, batch_idx):
        data, target = batch
        output = self(data)
        loss = self.criterion(output, target)
        self.log('test_loss', loss)
        return loss
        
    def configure_optimizers(self):
        self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=self.args.lr, momentum=0.9,weight_decay=5e-4)
        self.scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(self.optimizer,step_size=10,gamma = 0.8)            
        return [self.optimizer],[self.scheduler]

class CIFAR10DataModule(pl.LightningDataModule):
    def __init__(self, batch_size):
        super().__init__()
        self.batch_size = batch_size

    def setup(self, stage=None):
        transform_train = transforms.Compose([
            transforms.RandomCrop(32, padding=4), 
            transforms.RandomHorizontalFlip(),
            transforms.ToTensor(),
            transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010)),
        ])

        transform_test = transforms.Compose([
            transforms.ToTensor(),
            transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010)),
        ])

        self.train = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform_train)
        self.test = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False, download=True, transform=transform_test)

    def train_dataloader(self):
        return DataLoader(self.train, batch_size=self.batch_size,shuffle=True,num_workers=2,persistent_workers=True)

    def val_dataloader(self):
        return DataLoader(self.test, batch_size=self.batch_size,shuffle=False,num_workers=2,persistent_workers=True)

    def test_dataloader(self):
        return DataLoader(self.test, batch_size=self.batch_size)


def main():
    parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch MNIST Example')
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=128, metavar='N',help='input batch size for training (default: 64)')
    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=100, metavar='N',help='number of epochs to train (default: 14)')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=0.01, metavar='LR',help='learning rate (default: 1.0)')
    parser.add_argument('--act', type=int, default=-1,help='learning rate (default: 1.0)')
    parser.add_argument('--sparse', type=int, default=0,help='learning rate (default: 1.0)')
    args = parser.parse_args()

    cifar10_data = CIFAR10DataModule(batch_size=args.batch_size)
    log_dir = "lightning_logs"
    
    
    args.sparse=0   #不开启稀疏
    args.act=0      #自适应激活
    model = LitNet(args)
    
    logger = TensorBoardLogger(save_dir=log_dir, name="SelectiveActive")    
    trainer = pl.Trainer(logger=logger,devices=1,max_epochs=args.epochs,val_check_interval=1.0,gradient_clip_val=0.9, gradient_clip_algorithm="value")
    trainer.fit(model, cifar10_data)    
    
    args.sparse=0     #不开启稀疏
    args.act=-1       #不用激活
    model = LitNet(args)    
    cifar10_data = CIFAR10DataModule(batch_size=args.batch_size)
    
    logger = TensorBoardLogger(save_dir=log_dir, name="NoActive")    
    trainer = pl.Trainer(logger=logger,devices=1,max_epochs=args.epochs,val_check_interval=1.0,gradient_clip_val=0.9, gradient_clip_algorithm="value")
    trainer.fit(model, cifar10_data)  
   
    args.sparse=1
    args.act=-1       #不用激活,开启稀疏
    model = LitNet(args)       
    
    logger = TensorBoardLogger(save_dir=log_dir, name="SparseActivation")    
    trainer = pl.Trainer(logger=logger,devices=1,max_epochs=args.epochs,val_check_interval=1.0,gradient_clip_val=0.9, gradient_clip_algorithm="value")
    trainer.fit(model, cifar10_data)  

    for idx,act_name in enumerate(SparseActivation.act_array):
        name=act_name.__class__.__name__
        print(name)
        
        args.act=idx+1
        args.sparse=0
        model = LitNet(args)     
        
        logger = TensorBoardLogger(save_dir=log_dir, name=name)    
        trainer = pl.Trainer(logger=logger,devices=1,max_epochs=args.epochs,val_check_interval=1.0,gradient_clip_val=0.9, gradient_clip_algorithm="value")
        trainer.fit(model, cifar10_data)

if __name__ == '__main__':
    main()

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