YOLOv3 代码详解(5) —— 训练脚本解析 train.py

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论文阅读 || 深度学习之目标检测重磅出击YOLOv3
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该篇讲解的工程连接是：
tensorflow的yolov3：https://github.com/YunYang1994/tensorflow-yolov3

自己对该工程的解析博客：
YOLOv3 || 1. 使用自己的数据集训练yolov3
YOLOv3 || 2. dataset.py解析
 YOLOv3 || 3. dataset.py的多进程改造
 YOLOv3 || 4. yolov3.py 网络结构的搭建和loss的定义
 YOLOv3 || 5. train.py
YOLOv3 || 6. anchorboxes的获取 kmeans.py
YOLOv3 || 7. yolov3的pb文件的测试

该篇博客介绍的是yolov3的训练过程

1 代码讲解

1.1 代码概述

该脚本定义了yolov3的整个训练过程。是通过定义了class YoloTrain(object):来实现的。
class YoloTrain(object):
   def __init__(self):
       """初始化训练所需的所有变量"""
   def train(self):
       """进行神经网络整个过程的训练"""
       

1.2 `def init(self)`

工程作者将训练过程中的操作，都定义在相应的域下。使代码更加有条理

1.神经网络的 placehoder
2.神经网络的结构和 loss
3.神经网络的 learn_rate
4.神经网络的 define_weight_decay
5.神经网络的 define_first_stage_train 的优化器
神经网络的 define_second_stage_train 的优化器
6.神经网络的 loader_and_saver
7.神经网络的 summary


   def __init__(self):
       self.anchor_per_scale    = cfg.YOLO.ANCHOR_PER_SCALE                  # 每个尺度下的anchor数量
       self.classes             = utils.read_class_names(cfg.YOLO.CLASSES)   # 物体分类的类别
       self.num_classes         = len(self.classes)                          # 物体分类类别的数量
       self.learn_rate_init     = cfg.TRAIN.LEARN_RATE_INIT                  # 初始学习率（最大学习率）
       self.learn_rate_end      = cfg.TRAIN.LEARN_RATE_END		             # 
       self.first_stage_epochs  = cfg.TRAIN.FISRT_STAGE_EPOCHS               #  第一阶段训练轮数
       self.second_stage_epochs = cfg.TRAIN.SECOND_STAGE_EPOCHS     # 第二阶段训练轮数
       self.warmup_periods      = cfg.TRAIN.WARMUP_EPOCHS           # 预热训练的轮数
       self.initial_weight      = cfg.TRAIN.INITIAL_WEIGHT          #  初始学习率
       self.time                = time.strftime('%Y-%m-%d-%H-%M-%S', time.localtime(time.time()))
       self.moving_ave_decay    = cfg.YOLO.MOVING_AVE_DECAY       # 滑动平均衰减
       self.max_bbox_per_scale  = 150                             # 一张图片可存在bbox的数量的最大值
       self.train_logdir        = "./data/log/train"              #  训练日志的路径
       self.trainset            = Dataset('train')                #  实例化训练数据的读取
       self.testset             = Dataset('test')                 #  实例化预测数据的读取
       self.steps_per_period    = len(self.trainset)              #  每轮中的步数
       self.sess                = tf.Session(config=tf.ConfigProto(allow_soft_placement=True))  # 创建会话

1【神经网络的placehoder】：yolov3使用的是不同尺寸的图片进行训练，所以对输入输出的placehoder并未设置shape


       with tf.name_scope('define_input'):
           self.input_data   = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='input_data')
           self.label_sbbox  = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='label_sbbox')
           self.label_mbbox  = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='label_mbbox')
           self.label_lbbox  = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='label_lbbox')
           self.true_sbboxes = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='sbboxes')
           self.true_mbboxes = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='mbboxes')
           self.true_lbboxes = tf.placeholder(dtype=tf.float32, name='lbboxes')
           self.trainable     = tf.placeholder(dtype=tf.bool, name='training')

2【神经网络的loss】：创建一个YOLOv3的对象，然后计算其loss。loss的详细操作在上一篇博客 yolov3的loss 中有解析


       with tf.name_scope("define_loss"):
           self.model = YOLOV3(self.input_data, self.trainable)
           self.net_var = tf.global_variables()
           self.giou_loss, self.conf_loss, self.prob_loss = self.model.compute_loss(
                                                   self.label_sbbox,  self.label_mbbox,  self.label_lbbox,
                                                   self.true_sbboxes, self.true_mbboxes, self.true_lbboxes)
           self.loss = self.giou_loss + self.conf_loss + self.prob_loss

3【神经网络的learn_rate】：学习率的变化分两个阶段
– 预热阶段 warmup_periods：学习率—线性衰减的方式
– 正常训练阶段：学习率—余弦退火，使训练过程中更好的逃离局部最优


       with tf.name_scope('learn_rate'):
           self.global_step = tf.Variable(1.0, dtype=tf.float64, trainable=False, name='global_step')
           # 训练的warmup预数的数量
           warmup_steps = tf.constant(self.warmup_periods * self.steps_per_period,
                                       dtype=tf.float64, name='warmup_steps')
           # 训练的所有步数的数量
           train_steps = tf.constant( (self.first_stage_epochs + self.second_stage_epochs)* self.steps_per_period,
                                       dtype=tf.float64, name='train_steps')
           self.learn_rate = tf.cond(
               pred=self.global_step < warmup_steps,
               true_fn=lambda: self.global_step / warmup_steps * self.learn_rate_init,
               false_fn=lambda: self.learn_rate_end + 0.5 * (self.learn_rate_init - self.learn_rate_end) *
                                   (1 + tf.cos(
                                       (self.global_step - warmup_steps) / (train_steps - warmup_steps) * np.pi))
           )
           global_step_update = tf.assign_add(self.global_step, 1.0)

4【神经网络的define_weight_decay】：
滑动平均 tf.train.ExponentialMovingAverage 的详细介绍在https://blog.youkuaiyun.com/magic_ll/article/details/107540550


       with tf.name_scope("define_weight_decay"):
           moving_ave = tf.train.ExponentialMovingAverage(self.moving_ave_decay).apply(tf.trainable_variables())

5【神经网络的define_first_stage_train】：训练的第一阶段
– 基于COCO数据集训练好的模型，使用自己的数据集，来微调最后一层的神经网络。所以该阶段设置时训练参数时，只将3个输出模块的最后一层的参数传入到优化器进行训练。
– tf.control_dependencies该函数是指定某些操作的依赖关系。下面的这个例子表示：op_c/op_d的执行必须在op_a/op_b执行之后完成，以为就是说执行顺序为op_a, op_b, op_c, op_d。
– tf.no_op( )：表示什么也不操作。

with tf.control_dependencies([op_a, op_b]):
    op_c
    op_d


       with tf.name_scope("define_first_stage_train"):
           # 将神经网络最后一层的参数，设置为可训练参数
           self.first_stage_trainable_var_list = []
           for var in tf.trainable_variables():
               var_name = var.op.name
               var_name_mess = str(var_name).split('/')
               if var_name_mess[0] in ['conv_sbbox', 'conv_mbbox', 'conv_lbbox']:
                   self.first_stage_trainable_var_list.append(var)
           
           # 设置训练的优化器，并将可训练参数传入
           first_stage_optimizer = tf.train.AdamOptimizer(self.learn_rate).minimize(self.loss,
                                                     var_list=self.first_stage_trainable_var_list)
           with tf.control_dependencies(tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)):
               with tf.control_dependencies([first_stage_optimizer, global_step_update]):
                   with tf.control_dependencies([moving_ave]):
                       self.train_op_with_frozen_variables = tf.no_op()

6【神经网络的define_second_stage_train】：训练的第二阶段
– 第二阶段就将所有可训练的参数，传入优化器中进行训练，使整个网络进行微调。
– 其他训练方面的设置与第一阶段一致


     with tf.name_scope("define_second_stage_train"):
           second_stage_trainable_var_list = tf.trainable_variables()
           second_stage_optimizer = tf.train.AdamOptimizer(self.learn_rate).minimize(self.loss,
                                                     var_list=second_stage_trainable_var_list)

           with tf.control_dependencies(tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)):
               with tf.control_dependencies([second_stage_optimizer, global_step_update]):
                   with tf.control_dependencies([moving_ave]):
                       self.train_op_with_all_variables = tf.no_op()

7【神经网络的loader_and_saver】：


       with tf.name_scope('loader_and_saver'):
           self.loader = tf.train.Saver(self.net_var)
           self.saver  = tf.train.Saver(tf.global_variables(), max_to_keep=10)

8【神经网络的summary】：
– 设置训练时的日志文件。


       with tf.name_scope('summary'):
           tf.summary.scalar("learn_rate",      self.learn_rate)
           tf.summary.scalar("giou_loss",  self.giou_loss)
           tf.summary.scalar("conf_loss",  self.conf_loss)
           tf.summary.scalar("prob_loss",  self.prob_loss)
           tf.summary.scalar("total_loss", self.loss)

           logdir = "./data/log/"
           if os.path.exists(logdir): shutil.rmtree(logdir)
           os.mkdir(logdir)
           self.write_op = tf.summary.merge_all()
           self.summary_writer  = tf.summary.FileWriter(logdir, graph=self.sess.graph)

1.3 `def train(self)`


   def train(self):
       self.sess.run(tf.global_variables_initializer())
       try:
           print('=> Restoring weights from: %s ... ' % self.initial_weight)
           self.loader.restore(self.sess, self.initial_weight)
       except:
           print('=> %s does not exist !!!' % self.initial_weight)
           print('= > Now it starts to train YOLOV3 from scratch ...')
           self.first_stage_epochs = 0

       for epoch in range(1, 1+self.first_stage_epochs+self.second_stage_epochs):
           if epoch <= self.first_stage_epochs:
               train_op = self.train_op_with_frozen_variables
           else:
               train_op = self.train_op_with_all_variables

           pbar = tqdm(self.trainset)
           train_epoch_loss, test_epoch_loss = [], []

           for train_data in pbar:

              _, summary, train_step_loss, global_step_val = self.sess.run(
                   [train_op, self.write_op, self.loss, self.global_step],feed_dict={
                                               self.input_data:   train_data[0],
                                               self.label_sbbox:  train_data[1],
                                               self.label_mbbox:  train_data[2],
                                               self.label_lbbox:  train_data[3],
                                               self.true_sbboxes: train_data[4],
                                               self.true_mbboxes: train_data[5],
                                               self.true_lbboxes: train_data[6],
                                               self.trainable:    True,
               })

               train_epoch_loss.append(train_step_loss)
               self.summary_writer.add_summary(summary, global_step_val)
               pbar.set_description("train loss: %.2f" %train_step_loss)

           for test_data in self.testset:
              test_step_loss = self.sess.run( self.loss, feed_dict={
                                               self.input_data:   test_data[0],
                                               self.label_sbbox:  test_data[1],
                                               self.label_mbbox:  test_data[2],
                                               self.label_lbbox:  test_data[3],
                                               self.true_sbboxes: test_data[4],
                                               self.true_mbboxes: test_data[5],
                                               self.true_lbboxes: test_data[6],
                                               self.trainable:    False,
               })

               test_epoch_loss.append(test_step_loss)

           train_epoch_loss, test_epoch_loss = np.mean(train_epoch_loss), np.mean(test_epoch_loss)
           ckpt_file = "./checkpoint/yolov3_test_loss=%.4f.ckpt" % test_epoch_loss
           log_time = time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S', time.localtime(time.time()))
           print("=> Epoch: %2d Time: %s Train loss: %.2f Test loss: %.2f Saving %s ..."
                           %(epoch, log_time, train_epoch_loss, test_epoch_loss, ckpt_file))
           # self.saver.save(self.sess, ckpt_file, global_step=epoch)