【深度学习 transformer】基于Transformer的图像分类方法及应用实例

近年来，深度学习在图像分类领域取得了显著成果。其中，Transformer模型作为一种新型的神经网络结构，逐渐在图像分类任务中崭露头角。本文将介绍Transformer模型在图像分类中的应用，并通过一个实例展示其优越性能。
一、引言
图像分类是计算机视觉领域的一个重要任务，广泛应用于安防、医疗、无人驾驶等领域。传统的图像分类方法主要基于卷积神经网络（CNN），然而，CNN在处理长距离依赖关系方面存在一定的局限性。Transformer模型作为一种基于自注意力机制的神经网络结构，能够更好地捕捉图像中的全局依赖关系，从而提高分类性能。

二、Transformer模型简介
Transformer模型最初应用于自然语言处理领域，因其强大的特征提取能力而在图像分类任务中取得了优异表现。Transformer模型主要由编码器（Encoder）和解码器（Decoder）两部分组成。在图像分类任务中，我们主要关注编码器部分。
编码器由多个Encoder Block堆叠而成，每个Encoder Block包含两个主要模块：多头自注意力（Multi-Head Self-Attention）和前馈神经网络（Feedforward Neural Network）。多头自注意力模块用于提取图像中的全局特征，前馈神经网络则对特征进行进一步的非线性变换。

三、基于Transformer的图像分类方法

1. 图像预处理：将输入图像划分为固定大小的 patches，然后将这些 patches 线性嵌入为序列化的特征表示。
2. 编码器提取特征：将预处理后的图像特征输入到Transformer编码器中，通过多头自注意力模块和前馈神经网络提取图像的全局特征。
3. 分类头：将编码器输出的特征进行池化操作，得到固定长度的特征向量。最后，将特征向量输入到全连接层，进行分类。
   四、应用实例：CIFAR-10图像分类
4. 数据集简介：CIFAR-10是一个包含10个类别的60000张32x32彩色图像的数据集，每个类别包含6000张图像。
5. 模型设置：采用ViT（Vision Transformer）模型，编码器包含12个Encoder Block，多头自注意力头数为12，特征维度为768。
6. 实验结果：在CIFAR-10数据集上进行训练和测试，ViT模型在测试集上的准确率达到92.5%，优于传统CNN模型。
   五、结论
   本文介绍了基于Transformer的图像分类方法，并通过CIFAR-10数据集上的实例验证了其优越性能。随着深度学习技术的不断发展，Transformer模型在图像分类领域的应用将更加广泛，为计算机视觉任务带来新的突破。

以下是一个简单的Transformer图像分类二分类任务的训练和预测代码例子。我们将使用PyTorch框架来实现这个例子，并假设你已经安装了PyTorch和必要的依赖。我们将使用一个简化的Transformer模型，并且为了简化，我们不使用预训练的模型。
首先，确保你已经安装了PyTorch：

pip install torch torchvision

以下是完整的代码示例：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
from transformers import ViTFeatureExtractor, ViTForImageClassification
from torchvision.datasets import ImageFolder

# 设置超参数
batch_size = 32
learning_rate = 0.001
num_epochs = 100
num_classes = 2  # 二分类
# 数据预处理
transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize((224, 224)),  # 调整图像大小以适应ViT模型
    transforms.ToTensor(),
])
# 加载数据集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)

# 修改自定义数据集
# 加载数据
#train_dataset = ImageFolder(root='E:/PycharmProject/LargeSoilDetection/datasets/train/', transform=transform)
#test_dataset = ImageFolder(root='E:/PycharmProject/LargeSoilDetection/datasets/test/', transform=transform)


train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)
# 使用ViT模型
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224-in21k')
# 修改最后一层以适应二分类任务
model.classifier = nn.Linear(model.classifier.in_features, num_classes)
# 损失函数和优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)
# 训练模型
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)
for epoch in range(num_epochs):
    model.train()
    for images, labels in train_loader:
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)
        # 前向传播
        outputs = model(images)
        loss = criterion(outputs.logits, labels)
        # 反向传播和优化
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
    print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')
# 测试模型
model.eval()
with torch.no_grad():
    correct = 0
    total = 0
    for images, labels in test_loader:
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.logits, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()
print(f'Accuracy of the model on the test images: {100 * correct / total}%')
# 保存模型
torch.save(model.state_dict(), 'transformer_model.pth')
# 加载模型
# model.load_state_dict(torch.load('transformer_model.pth'))
# model.eval()

请注意，这个例子使用了ViT模型，它是基于Transformer的模型，用于图像分类。我们使用了ViTForImageClassification类，这是Hugging Face的transformers库中提供的一个模型。我们修改了模型的最后一层以适应二分类任务。
在实际应用中，你可能需要根据自己的数据集来调整图像预处理步骤，以及可能需要更复杂的训练循环和超参数调整来获得更好的性能。
此外，由于MNIST数据集是灰度图像，而ViT模型通常用于彩色图像，你可能需要进一步修改代码以适应不同的数据集。如果你使用的是自定义的二分类数据集，请确保数据加载器正确地加载了你的数据。

加载模型进行预测：

import torch
import torchvision.transforms as transforms
from PIL import Image
from transformers import ViTFeatureExtractor

num_classes=2
# 加载模型
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224-in21k')
model.classifier = nn.Linear(model.classifier.in_features, num_classes)  # 假设num_classes是2
model.load_state_dict(torch.load('transformer_model.pth'))
model.eval()  # 设置为评估模式

# 设置设备
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)

# 预处理图像
def preprocess_image(image_path):
    feature_extractor = ViTFeatureExtractor.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224-in21k')
    image = Image.open(image_path).convert("RGB")
    inputs = feature_extractor(images=image, return_tensors="pt")
    return inputs["pixel_values"].to(device)

# 预测图像
def predict_image(image_path):
    inputs = preprocess_image(image_path)
    with torch.no_grad():
        outputs = model(inputs)
    logits = outputs.logits
    probabilities = torch.nn.functional.softmax(logits, dim=1)
    predicted_class_idx = torch.argmax(probabilities, dim=1).item()
    return predicted_class_idx, probabilities[0][predicted_class_idx].item()

# 实时预测
image_path = "path_to_your_image.jpg"  # 替换为你的图片路径
predicted_class_idx, confidence = predict_image(image_path)
print(f"Predicted class index: {predicted_class_idx}")
print(f"Confidence: {confidence:.2f}")