Python训练打卡Day50

预训练模型+CBAM模块

知识点回顾：

1. resnet结构解析
2. CBAM放置位置的思考
3. 针对预训练模型的训练策略
   1. 差异化学习率
   2. 三阶段微调

使用resnet的预训练策略：先冻结预训练层，然后训练其他层。之前的其它层是全连接层（分类头），现在其它层还包含了每一个残差块中的cbam注意力层。

resnet结构解析

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 定义通道注意力
class ChannelAttention(nn.Module):def __init__(self, in_channels, ratio=16):"""通道注意力机制初始化参数:in_channels: 输入特征图的通道数ratio: 降维比例，用于减少参数量，默认为16"""super().__init__()# 全局平均池化，将每个通道的特征图压缩为1x1，保留通道间的平均值信息self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)# 全局最大池化，将每个通道的特征图压缩为1x1，保留通道间的最显著特征self.max_pool = nn.AdaptiveMaxPool2d(1)# 共享全连接层，用于学习通道间的关系# 先降维（除以ratio），再通过ReLU激活，最后升维回原始通道数self.fc = nn.Sequential(nn.Linear(in_channels, in_channels // ratio, bias=False),  # 降维层nn.ReLU(),  # 非线性激活函数nn.Linear(in_channels // ratio, in_channels, bias=False)   # 升维层)# Sigmoid函数将输出映射到0-1之间，作为各通道的权重self.sigmoid = nn.Sigmoid()def forward(self, x):"""前向传播函数参数:x: 输入特征图，形状为 [batch_size, channels, height, width]返回:调整后的特征图，通道权重已应用"""# 获取输入特征图的维度信息，这是一种元组的解包写法b, c, h, w = x.shape# 对平均池化结果进行处理：展平后通过全连接网络avg_out = self.fc(self.avg_pool(x).view(b, c))# 对最大池化结果进行处理：展平后通过全连接网络max_out = self.fc(self.max_pool(x).view(b, c))# 将平均池化和最大池化的结果相加并通过sigmoid函数得到通道权重attention = self.sigmoid(avg_out + max_out).view(b, c, 1, 1)# 将注意力权重与原始特征相乘，增强重要通道，抑制不重要通道return x * attention #这个运算是pytorch的广播机制## 空间注意力模块
class SpatialAttention(nn.Module):def __init__(self, kernel_size=7):super().__init__()self.conv = nn.Conv2d(2, 1, kernel_size, padding=kernel_size//2, bias=False)self.sigmoid = nn.Sigmoid()def forward(self, x):# 通道维度池化avg_out = torch.mean(x, dim=1, keepdim=True)  # 平均池化：(B,1,H,W)max_out, _ = torch.max(x, dim=1, keepdim=True)  # 最大池化：(B,1,H,W)pool_out = torch.cat([avg_out, max_out], dim=1)  # 拼接：(B,2,H,W)attention = self.conv(pool_out)  # 卷积提取空间特征return x * self.sigmoid(attention)  # 特征与空间权重相乘## CBAM模块
class CBAM(nn.Module):def __init__(self, in_channels, ratio=16, kernel_size=7):super().__init__()self.channel_attn = ChannelAttention(in_channels, ratio)self.spatial_attn = SpatialAttention(kernel_size)def forward(self, x):x = self.channel_attn(x)x = self.spatial_attn(x)return x

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")# 数据预处理（与原代码一致）
train_transform = transforms.Compose([transforms.RandomCrop(32, padding=4),transforms.RandomHorizontalFlip(),transforms.ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.2, saturation=0.2, hue=0.1),transforms.RandomRotation(15),transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])test_transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 加载数据集（与原代码一致）
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=train_transform)
test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data', train=False, transform=test_transform)
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

import torch
import torchvision.models as models
from torchinfo import summary #之前的内容说了，推荐用他来可视化模型结构，信息最全# 加载 ResNet18（预训练）
model = models.resnet18(pretrained=True)
model.eval()# 输出模型结构和参数概要
summary(model, input_size=(1, 3, 224, 224))

经典的 ResNet-18 模型可以将其看作一个处理流水线，图像数据从一端进去，分类结果从另一端出来。整个过程可以分为三个主要部分：

 

1. 输入预处理（Stem）：对应层级为 Conv2d:1-1 到 MaxPool2d:1-4，主要作用是对输入图像进行初步的特征提取，并通过池化操作将特征图尺寸减半，为后续处理做准备。
2. 核心特征提取：对应层级为四个 Sequential 模块（1-5 到 1-8），这是网络的主体，由多个残差块（BasicBlock）堆叠而成，负责从浅到深、从粗到细地学习图像特征。
3. 分类输出（Head）：对应层级为 AdaptiveAvgPool2d:1-9 和 Linear:1-10，主要作用是将最终的特征图（feature map）转换成一个特征向量，并通过全连接层映射到最终的 1000 个类别上。

将CBAM插入resnet的放置位置：

 预训练模型的训练策略：

介绍一种比较适合这里的预训练策略：

1. 阶段 1（epoch 1-5）：

仅解冻分类头（fc）和所有 CBAM 模块，冻结 ResNet18 的主干卷积层（layer1-4）。

目标：先让模型通过预训练特征学习新任务的分类边界，同时微调注意力模块。

学习率：1e-3（较高学习率加速分类头收敛）。

阶段 2（epoch 6-20）：

解冻高层卷积层（layer3、layer4）+ 分类头 + CBAM，冻结低层卷积层（layer1、layer2）。

目标：释放高层语义特征（如 “物体类别” 相关层），适应新任务的抽象表示。

学习率：1e-4（降低学习率，避免破坏预训练权重）。

阶段 3（epoch 21-50）：

解冻所有层（包括低层卷积层 layer1、layer2），端到端微调。

目标：让底层特征（如边缘、纹理）与新任务对齐，提升特征表达能力。

学习率：1e-5（最小学习率，缓慢调整全局参数）。

2. CBAM 模块集成

在每个残差块组（layer1-4）输出后添加 CBAM，确保注意力机制作用于各阶段特征图，且不影响残差块内部的跳连接。

CBAM 参数默认使用ratio=16和kernel_size=7，可根据计算资源调整（如减小ratio以降低参数量）。

3. 学习率与优化器

使用Adam优化器，分阶段手动调整学习率（也可配合自动调度器如CosineAnnealingLR）。

每次解冻新层时，学习率降低一个数量级，避免梯度冲击预训练权重。

预期效果与监控

阶段 1：测试准确率应逐步提升至 20%-40%（摆脱随机猜测），损失开始下降。

阶段 2：准确率加速提升（利用高层特征），可能达到 60%-80%。

阶段 3：准确率缓慢提升并收敛（底层特征微调），最终可能超过 85%（取决于 CIFAR10 的基线表现）。

监控重点：

若阶段 1 准确率仍为 9%，检查数据预处理或标签是否正确。

若阶段 2 后准确率停滞，尝试增加正则化（如在 CBAM 后添加 Dropout）或调整 CBAM 参数。

import time# ======================================================================
# 4. 结合了分阶段策略和详细打印的训练函数
# ======================================================================
def set_trainable_layers(model, trainable_parts):print(f"\n---> 解冻以下部分并设为可训练: {trainable_parts}")for name, param in model.named_parameters():param.requires_grad = Falsefor part in trainable_parts:if part in name:param.requires_grad = Truebreakdef train_staged_finetuning(model, criterion, train_loader, test_loader, device, epochs):optimizer = None# 初始化历史记录列表，与你的要求一致all_iter_losses, iter_indices = [], []train_acc_history, test_acc_history = [], []train_loss_history, test_loss_history = [], []for epoch in range(1, epochs + 1):epoch_start_time = time.time()# --- 动态调整学习率和冻结层 ---if epoch == 1:print("\n" + "="*50 + "\n🚀 **阶段 1：训练注意力模块和分类头**\n" + "="*50)set_trainable_layers(model, ["cbam", "backbone.fc"])optimizer = optim.Adam(filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr=1e-3)elif epoch == 6:print("\n" + "="*50 + "\n✈️ **阶段 2：解冻高层卷积层 (layer3, layer4)**\n" + "="*50)set_trainable_layers(model, ["cbam", "backbone.fc", "backbone.layer3", "backbone.layer4"])optimizer = optim.Adam(filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr=1e-4)elif epoch == 21:print("\n" + "="*50 + "\n🛰️ **阶段 3：解冻所有层，进行全局微调**\n" + "="*50)for param in model.parameters(): param.requires_grad = Trueoptimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-5)# --- 训练循环 ---model.train()running_loss, correct, total = 0.0, 0, 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data, target = data.to(device), target.to(device)optimizer.zero_grad()output = model(data)loss = criterion(output, target)loss.backward()optimizer.step()# 记录每个iteration的损失iter_loss = loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)iter_indices.append((epoch - 1) * len(train_loader) + batch_idx + 1)running_loss += iter_loss_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 按你的要求，每100个batch打印一次if (batch_idx + 1) % 100 == 0:print(f'Epoch: {epoch}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / totaltrain_loss_history.append(epoch_train_loss)train_acc_history.append(epoch_train_acc)# --- 测试循环 ---model.eval()test_loss, correct_test, total_test = 0, 0, 0with torch.no_grad():for data, target in test_loader:data, target = data.to(device), target.to(device)output = model(data)test_loss += criterion(output, target).item()_, predicted = output.max(1)total_test += target.size(0)correct_test += predicted.eq(target).sum().item()epoch_test_loss = test_loss / len(test_loader)epoch_test_acc = 100. * correct_test / total_testtest_loss_history.append(epoch_test_loss)test_acc_history.append(epoch_test_acc)# 打印每个epoch的最终结果print(f'Epoch {epoch}/{epochs} 完成 | 耗时: {time.time() - epoch_start_time:.2f}s | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 训练结束后调用绘图函数print("\n训练完成! 开始绘制结果图表...")plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)plot_epoch_metrics(train_acc_history, test_acc_history, train_loss_history, test_loss_history)# 返回最终的测试准确率return epoch_test_acc# ======================================================================
# 5. 绘图函数定义
# ======================================================================
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()def plot_epoch_metrics(train_acc, test_acc, train_loss, test_loss):epochs = range(1, len(train_acc) + 1)plt.figure(figsize=(12, 4))plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(epochs, train_acc, 'b-', label='训练准确率')plt.plot(epochs, test_acc, 'r-', label='测试准确率')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('准确率 (%)')plt.title('训练和测试准确率')plt.legend(); plt.grid(True)plt.subplot(1, 2, 2)plt.plot(epochs, train_loss, 'b-', label='训练损失')plt.plot(epochs, test_loss, 'r-', label='测试损失')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('损失值')plt.title('训练和测试损失')plt.legend(); plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# ======================================================================
# 6. 执行训练
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model = ResNet18_CBAM().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
epochs = 50print("开始使用带分阶段微调策略的ResNet18+CBAM模型进行训练...")
final_accuracy = train_staged_finetuning(model, criterion, train_loader, test_loader, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")# torch.save(model.state_dict(), 'resnet18_cbam_finetuned.pth')
# print("模型已保存为: resnet18_cbam_finetuned.pth")

 

torch.save(model.state_dict(), 'resnet18_cbam_finetuned.pth')
print("模型已保存为: resnet18_cbam_finetuned.pth")

@浙大疏锦行