基于知识蒸馏的两阶段去雨去雪去雾模型学习记录(三)之知识测试阶段与评估模块

去雨去雾去雪算法分为两个阶段，分别是知识收集阶段与知识测试阶段，前面我们已经学习了知识收集阶段，了解到知识阶段的特征迁移模块（CKT)与软损失（SCRLoss）,那么在知识收集阶段的主要重点便是HCRLoss(硬损失）,事实上，知识测试阶段要比知识收集阶段简单，因为这个模块只需要训练学生网络即可。

模型创新点

在进行知识测试阶段的代码学习之前，我们来回顾一下去雨去雪去雾网络的创新点：
首先是提出两阶段的知识蒸馏网络，即构建三个教师网络与一个学生网络，设置总训练次数为250，其中前125个epoch教师网络与学生网络一同训练，这里的训练是指将图像输入教师网络，随后将教师网络的输出结果与中间特征图保留，将其作为真值指导学生网络进行训练。
其次便是提出知识迁移模块（CKT）该模块的作用是将教师网络的特征迁移到学生网络。
随后便是软损失与硬损失计算了，这个其实是知识蒸馏中的概念。
总体来看去雨去雾去雪网络的设计虽然较为新颖，但事实上就是知识蒸馏网络的架构，本着这一点，程序理解起来也就容易多了。

在这里插入图片描述

接下来开始代码的学习：

小插曲（算力不足）

首先需要指出，前面将batch-size设置为4，但却会报错：

RuntimeError: cuDNN error: CUDNN_STATUS_NOT_INITIALIZED

开始时博主以为是cuDNN与CUDA版本不匹配导致的，但后来一想不对呀，先前已经运行过呀，那么问题很可能便是batch出问题了，果然将batch改为3后就正常了，这是由于算力不足导致的，注意算力不足和显存不足还是有区别的。
将batch-size改为3后重新运行，开始知识测试阶段的探索。

知识测试阶段

事实上，知识测试阶段的实现与知识收集阶段几乎相同，并且要比知识收集阶段简单，其只是训练学生网络，并计算一个硬损失而已。
由于知识测试阶段与知识收集阶段几乎相同，因此有许多地方是重复的，这里博主便会简要介绍。
首先相同的是使用train_loader进行训练集的加载，并使用tqdm进行封装。
随后便是遍历过程，这个过程就要简单很多了，没有使用到教师网络，直接将图像输入学生网络进行预测即可，这里的学生网络与教师网络的构造是完全相同的，将结果分别计算L1损失与HCR_loss即可。不过需要注意的是由于该阶段不需要与教师网络进行特征迁移，因此就不需要返回中间特征图了，即设置return_feat=False

for target_images, input_images in pBar:if target_images is None: continuetarget_images = target_images.cuda()input_images = torch.cat(input_images).cuda()preds = model(input_images, return_feat=False)G_loss = criterion_l1(preds, target_images)HCR_loss = 0.2 * criterion_hcr(preds, target_images, input_images)total_loss = G_loss + HCR_loss

至于其他的基本就相同了，需要注意的是这里的batch设置为3。接下来记录一下数据的变化情况：

input_images：输入图像，torch.Size([3, 3, 224, 224])第一个3是指图像数量，第二个3是指通道维度
target_images：目标图像（真值），torch.Size([3, 3, 224, 224])第一个3是指图像数量，第二个3是指通道维度
preds：预测图像（去噪后的图像），torch.Size([3, 3, 224, 224])第一个3是指图像数量，第二个3是指通道维度

在这里插入图片描述

随后计算L1损失与HCRLoss，由于在学生网络中使用的事实上是混合数据集，即不区分去噪类型，因此输入图像等都是直接使用tesnor格式，而非list格式。

G_loss：tensor(0.5621, device='cuda:0', grad_fn=<L1LossBackward>)

HCRLoss

与SCRLoss相同，HCRLoss也是先将图像进行特征转换后再计算损失的

HCRLoss((vgg): Vgg19((slice1): Sequential((0): Conv2d(3, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(1): ReLU(inplace=True))(slice2): Sequential((2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(3): ReLU(inplace=True)(4): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(5): Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(6): ReLU(inplace=True))(slice3): Sequential((7): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(8): ReLU(inplace=True)(9): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(10): Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(11): ReLU(inplace=True))(slice4): Sequential((12): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(13): ReLU(inplace=True)(14): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(15): ReLU(inplace=True)(16): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(17): ReLU(inplace=True)(18): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(19): Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(20): ReLU(inplace=True))(slice5): Sequential((21): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(22): ReLU(inplace=True)(23): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(24): ReLU(inplace=True)(25): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(26): ReLU(inplace=True)(27): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(28): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))(29): ReLU(inplace=True)))(l1): L1Loss()
)

HCRLoss：tensor(0.3274, device='cuda:0', grad_fn=<MulBackward0>)

评估模块

至此，知识测试阶段便完成了，随后便是模型评估了。这里默认设置评估时的batch-size为1，即每次输入一张图像。
所谓的评估指的是对学生网络的评估，该模块其实与知识测试阶段类似，不同之处在于这里是需要计算SSIM与PSNR的。至于其他则是完全相同，核心代码如下：

for target, image in pBar:if torch.cuda.is_available():image = image.cuda()target = target.cuda()pred = model(image)   		psnr_list.append(torchPSNR(pred, target).item())ssim_list.append(pytorch_ssim.ssim(pred, target).item())

由于batch-size设置为1，因此target为torch.Size([1, 3, 480, 640])，image也为torch.Size([1, 3, 480, 640])，这里需要注意的是，在训练阶段（包含知识收集与知识测试阶段），数据集中的图像都要转换为224x224的大小，而在评估阶段则不需要进行转换了，即使用的是原图像的大小。
直接将输入图输入模型，获的去噪后的图像pred大小为torch.Size([1, 3, 480, 640])

pred = model(image)

在这里插入图片描述

随后将预测图像与真值图像进行计算PSNR与SSIM

psnr_list.append(torchPSNR(pred, target).item())
ssim_list.append(pytorch_ssim.ssim(pred, target).item())

PSNR计算

@torch.no_grad()
def torchPSNR(prd_img, tar_img):if not isinstance(prd_img, torch.Tensor):prd_img = torch.from_numpy(prd_img)tar_img = torch.from_numpy(tar_img)imdff = torch.clamp(prd_img, 0, 1) - torch.clamp(tar_img, 0, 1)rmse = (imdff**2).mean().sqrt()ps = 20 * torch.log10(1/rmse)return ps

SSIM计算

class SSIM(torch.nn.Module):def __init__(self, window_size = 11, size_average = True):super(SSIM, self).__init__()self.window_size = window_sizeself.size_average = size_averageself.channel = 1self.window = create_window(window_size, self.channel)def forward(self, img1, img2):(_, channel, _, _) = img1.size()if channel == self.channel and self.window.data.type() == img1.data.type():window = self.windowelse:window = create_window(self.window_size, channel)            if img1.is_cuda:window = window.cuda(img1.get_device())window = window.type_as(img1)        self.window = windowself.channel = channelreturn _ssim(img1, img2, window, self.window_size, channel, self.size_average)
def ssim(img1, img2, window_size = 11, size_average = True):(_, channel, _, _) = img1.size()window = create_window(window_size, channel)  if img1.is_cuda:window = window.cuda(img1.get_device())window = window.type_as(img1)return _ssim(img1, img2, window, window_size, channel, size_average)

将每个循环得到的psnr与ssim加入列表

在这里插入图片描述
最后的PSNR与SSIM是对list中的所有值求平均:

print("PSNR: {:.3f}".format(np.mean(psnr_list)))
print("SSIM: {:.3f}".format(np.mean(ssim_list)))

至此，知识测试阶段与评估模块就讲解完成了，接下来博主将对该模型进行改进。