Pytorch实现基于卷积神经网络的面部表情识别(详细步骤)

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2021年1月8日 09时32分

文章目录

 

  • 一、项目背景
  • 二、数据处理
    • 1、标签与特征分离
    • 2、数据可视化
    • 3、训练集和测试集
  • 三、模型搭建
  • 四、模型训练
  • 五、完整代码

 

一、项目背景

 

数据集cnn_train.csv包含人类面部表情的图片的label和feature。在这里,面部表情识别相当于一个分类问题,共有7个类别。

 

其中label包括7种类型表情:

 

表情种类

 

一共有28709个label,说明包含了28709张表情包嘿嘿。

 

每一行就是一张表情包4848=2304个像素,相当于4848个灰度值(intensity)(0为黑, 255为白)

 

数据展示

 

二、数据处理

 

1、标签与特征分离

 

这一步为了后面方便读取数据集,对原数据进行处理,分离后分别保存为cnn_label.csv和cnn_data.csv.

 

# cnn_feature_label.py 将label和像素数据分离
import pandas as pd

path = 'cnn_train.csv'# 原数据路径
# 读取数据
df = pd.read_csv(path)
# 提取label数据
df_y = df[['label']]
# 提取feature(即像素)数据
df_x = df[['feature']]
# 将label写入label.csv
df_y.to_csv('cnn_label.csv', index=False, header=False)
# 将feature数据写入data.csv
df_x.to_csv('cnn_data.csv', index=False, header=False)

 

执行之后生成结果文件:

 

特征标签分离结果

 

2、数据可视化

 

完成与标签分离后,下一步我们对特征进一步处理,也就是将每个数据行的2304个像素值合成每张48*48的表情图。

 

# face_view.py 数据可视化
import cv2
import numpy as np

# 指定存放图片的路径
path = './/face'
# 读取像素数据
data = np.loadtxt('cnn_data.csv')

# 按行取数据
for i in range(data.shape[0]):
    face_array = data[i, :].reshape((48, 48)) # reshape
    cv2.imwrite(path + '//' + '{}.jpg'.format(i), face_array) # 写图片

 

这段代码将写入28709张表情图,执行需要一小段时间。

结果如下:

 

表情图

 

3、训练集和测试集

 

第一步,我们要训练模型,需要划分一下训练集和验证集。一共有28709张图片,我取前24000张图片作为训练集,其他图片作为验证集。新建文件夹cnn_train和cnn_val,将0.jpg到23999.jpg放进文件夹cnn_train,将其他图片放进文件夹cnn_val。

 

第二步,对每张图片标记属于哪一个类别,存放在dataset.csv中,分别在刚刚训练集和测试集执行标记任务。

 

# cnn_picture_label.py 表情图片和类别标注
import os
import pandas as pd


def data_label(path):
    # 读取label文件
    df_label = pd.read_csv('cnn_label.csv', header=None)
    # 查看该文件夹下所有文件
    files_dir = os.listdir(path)
    # 用于存放图片名
    path_list = []
    # 用于存放图片对应的label
    label_list = []
    # 遍历该文件夹下的所有文件
    for file_dir in files_dir:
        # 如果某文件是图片,则将其文件名以及对应的label取出,分别放入path_list和label_list这两个列表中
        if os.path.splitext(file_dir)[1] == ".jpg":
            path_list.append(file_dir)
            index = int(os.path.splitext(file_dir)[0])
            label_list.append(df_label.iat[index, 0])

    # 将两个列表写进dataset.csv文件
    path_s = pd.Series(path_list)
    label_s = pd.Series(label_list)
    df = pd.DataFrame()
    df['path'] = path_s
    df['label'] = label_s
    df.to_csv(path + '\\dataset.csv', index=False, header=False)


def main():
    # 指定文件夹路径
    train_path = 'D:\\PyCharm_Project\\deep learning\\model\\cnn_train'
    val_path = 'D:\\PyCharm_Project\\deep learning\\model\\cnn_val'
    data_label(train_path)
    data_label(val_path)


if __name__ == "__main__":
    main()

 

完成之后如图:

 

dataset内容

 

第三步,重写Dataset类,它是Pytorch中图像数据集加载的一个基类,源码如下,我们需要重写类来实现加载上面的图像数据集。

 

import bisect
import warnings

from torch._utils import _accumulate
from torch import randperm


class Dataset(object):
    r"""An abstract class representing a :class:`Dataset`.

    All datasets that represent a map from keys to data samples should subclass
    it. All subclasses should overwrite :meth:`__getitem__`, supporting fetching a
    data sample for a given key. Subclasses could also optionally overwrite
    :meth:`__len__`, which is expected to return the size of the dataset by many
    :class:`~torch.utils.data.Sampler` implementations and the default options
    of :class:`~torch.utils.data.DataLoader`.

    .. note::
      :class:`~torch.utils.data.DataLoader` by default constructs a index
      sampler that yields integral indices.  To make it work with a map-style
      dataset with non-integral indices/keys, a custom sampler must be provided.
    """

    def __getitem__(self, index):
        raise NotImplementedError

    def __add__(self, other):
        return ConcatDataset([self, other])

    # No `def __len__(self)` default?
    # See NOTE [ Lack of Default `__len__` in Python Abstract Base Classes ]
    # in pytorch/torch/utils/data/sampler.py

 

重写之后如下,自定义类名为FaceDataset:

 

class FaceDataset(data.Dataset):
    # 初始化
    def __init__(self, root):
        super(FaceDataset, self).__init__()
        self.root = root
        df_path = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[0])
        df_label = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[1])
        self.path = np.array(df_path)[:, 0]
        self.label = np.array(df_label)[:, 0]

    # 读取某幅图片,item为索引号
    def __getitem__(self, item):
        # 图像数据用于训练,需为tensor类型,label用numpy或list均可
        face = cv2.imread(self.root + '\\' + self.path[item])
        # 读取单通道灰度图
        face_gray = cv2.cvtColor(face, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        # 直方图均衡化
        face_hist = cv2.equalizeHist(face_gray)
        """
        像素值标准化
        读出的数据是48X48的,而后续卷积神经网络中nn.Conv2d() API所接受的数据格式是(batch_size, channel, width, higth),
        本次图片通道为1,因此我们要将48X48 reshape为1X48X48。
        """
        face_normalized = face_hist.reshape(1, 48, 48) / 255.0
        face_tensor = torch.from_numpy(face_normalized)
        face_tensor = face_tensor.type('torch.FloatTensor')
        label = self.label[item]
        return face_tensor, label

    # 获取数据集样本个数
    def __len__(self):
        return self.path.shape[0]

 

到此,就实现了数据集加载的过程,下面准备使用这个类将数据喂给模型训练了。

 

三、模型搭建

 

cnn_face_model

 

这是Github上面部表情识别的一个开源项目的模型结构,我们使用model B搭建网络模型。使用RRelu(随机修正线性单元)作为激活函数。卷积神经网络模型如下:

 

class FaceCNN(nn.Module):
    # 初始化网络结构
    def __init__(self):
        super(FaceCNN, self).__init__()

        # 第一层卷积、池化
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1),  # 卷积层
            nn.BatchNorm2d(num_features=64),  # 归一化
            nn.RReLU(inplace=True),  # 激活函数
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # 最大值池化
        )

        # 第二层卷积、池化
        self.conv2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=128),
            nn.RReLU(inplace=True),
            # output:(bitch_size, 128, 12 ,12)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )

        # 第三层卷积、池化
        self.conv3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=256),
            nn.RReLU(inplace=True),
            # output:(bitch_size, 256, 6 ,6)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )

        # 参数初始化
        self.conv1.apply(gaussian_weights_init)
        self.conv2.apply(gaussian_weights_init)
        self.conv3.apply(gaussian_weights_init)

        # 全连接层
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=0.2),
            nn.Linear(in_features=256 * 6 * 6, out_features=4096),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(in_features=4096, out_features=1024),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_features=1024, out_features=256),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_features=256, out_features=7),
        )

    # 前向传播
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        # 数据扁平化
        x = x.view(x.shape[0], -1)
        y = self.fc(x)
        return y

 

参数解析:

 

输入通道数in_channels,输出通道数(即卷积核的通道数)out_channels,卷积核大小kernel_size,步长stride,对称填0行列数padding。

 

第一层卷积:input:(bitch_size, 1, 48, 48), output(bitch_size, 64, 24, 24)
第二层卷积:input:(bitch_size, 64, 24, 24), output(bitch_size, 128, 12, 12)
第三层卷积:input:(bitch_size, 128, 12, 12), output:(bitch_size, 256, 6, 6)

 

四、模型训练

 

损失函数使用交叉熵,优化器是随机梯度下降SGD,其中weight_decay为正则项系数,每轮训练打印损失值,每5轮训练打印准确率。

 

def train(train_dataset, val_dataset, batch_size, epochs, learning_rate, wt_decay):
    # 载入数据并分割batch
    train_loader = data.DataLoader(train_dataset, batch_size)
    # 构建模型
    model = FaceCNN()
    # 损失函数
    loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
    # 优化器
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=wt_decay)
    # 逐轮训练
    for epoch in range(epochs):
        # 记录损失值
        loss_rate = 0
        # scheduler.step() # 学习率衰减
        model.train()  # 模型训练
        for images, labels in train_loader:
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 前向传播
            output = model.forward(images)
            # 误差计算
            loss_rate = loss_function(output, labels)
            # 误差的反向传播
            loss_rate.backward()
            # 更新参数
            optimizer.step()

        # 打印每轮的损失
        print('After {} epochs , the loss_rate is : '.format(epoch + 1), loss_rate.item())
        if epoch % 5 == 0:
            model.eval()  # 模型评估
            acc_train = validate(model, train_dataset, batch_size)
            acc_val = validate(model, val_dataset, batch_size)
            print('After {} epochs , the acc_train is : '.format(epoch + 1), acc_train)
            print('After {} epochs , the acc_val is : '.format(epoch + 1), acc_val)

    return model

 

五、完整代码

 

"""
CNN_face.py 基于卷积神经网络的面部表情识别(Pytorch实现)
"""
import torch
import torch.utils.data as data
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import numpy as np
import pandas as pd
import cv2


# 参数初始化
def gaussian_weights_init(m):
    classname = m.__class__.__name__
    # 字符串查找find,找不到返回-1,不等-1即字符串中含有该字符
    if classname.find('Conv') != -1:
        m.weight.data.normal_(0.0, 0.04)


# 验证模型在验证集上的正确率
def validate(model, dataset, batch_size):
    val_loader = data.DataLoader(dataset, batch_size)
    result, num = 0.0, 0
    for images, labels in val_loader:
        pred = model.forward(images)
        pred = np.argmax(pred.data.numpy(), axis=1)
        labels = labels.data.numpy()
        result += np.sum((pred == labels))
        num += len(images)
    acc = result / num
    return acc


class FaceDataset(data.Dataset):
    # 初始化
    def __init__(self, root):
        super(FaceDataset, self).__init__()
        self.root = root
        df_path = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[0])
        df_label = pd.read_csv(root + '\\dataset.csv', header=None, usecols=[1])
        self.path = np.array(df_path)[:, 0]
        self.label = np.array(df_label)[:, 0]

    # 读取某幅图片,item为索引号
    def __getitem__(self, item):
        # 图像数据用于训练,需为tensor类型,label用numpy或list均可
        face = cv2.imread(self.root + '\\' + self.path[item])
        # 读取单通道灰度图
        face_gray = cv2.cvtColor(face, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        # 直方图均衡化
        face_hist = cv2.equalizeHist(face_gray)
        """
        像素值标准化
        读出的数据是48X48的,而后续卷积神经网络中nn.Conv2d() API所接受的数据格式是(batch_size, channel, width, higth),
        本次图片通道为1,因此我们要将48X48 reshape为1X48X48。
        """
        face_normalized = face_hist.reshape(1, 48, 48) / 255.0
        face_tensor = torch.from_numpy(face_normalized)
        face_tensor = face_tensor.type('torch.FloatTensor')
        label = self.label[item]
        return face_tensor, label

    # 获取数据集样本个数
    def __len__(self):
        return self.path.shape[0]


class FaceCNN(nn.Module):
    # 初始化网络结构
    def __init__(self):
        super(FaceCNN, self).__init__()

        # 第一次卷积、池化
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1),  # 卷积层
            nn.BatchNorm2d(num_features=64),  # 归一化
            nn.RReLU(inplace=True),  # 激活函数
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # 最大值池化
        )

        # 第二次卷积、池化
        self.conv2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=128),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )

        # 第三次卷积、池化
        self.conv3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=256),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )

        # 参数初始化
        self.conv1.apply(gaussian_weights_init)
        self.conv2.apply(gaussian_weights_init)
        self.conv3.apply(gaussian_weights_init)

        # 全连接层
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=0.2),
            nn.Linear(in_features=256 * 6 * 6, out_features=4096),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(in_features=4096, out_features=1024),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_features=1024, out_features=256),
            nn.RReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_features=256, out_features=7),
        )

    # 前向传播
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        # 数据扁平化
        x = x.view(x.shape[0], -1)
        y = self.fc(x)
        return y


def train(train_dataset, val_dataset, batch_size, epochs, learning_rate, wt_decay):
    # 载入数据并分割batch
    train_loader = data.DataLoader(train_dataset, batch_size)
    # 构建模型
    model = FaceCNN()
    # 损失函数
    loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
    # 优化器
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=wt_decay)
    # 学习率衰减
    # scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.8)
    # 逐轮训练
    for epoch in range(epochs):
        # 记录损失值
        loss_rate = 0
        # scheduler.step() # 学习率衰减
        model.train()  # 模型训练
        for images, labels in train_loader:
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 前向传播
            output = model.forward(images)
            # 误差计算
            loss_rate = loss_function(output, labels)
            # 误差的反向传播
            loss_rate.backward()
            # 更新参数
            optimizer.step()

        # 打印每轮的损失
        print('After {} epochs , the loss_rate is : '.format(epoch + 1), loss_rate.item())
        if epoch % 5 == 0:
            model.eval()  # 模型评估
            acc_train = validate(model, train_dataset, batch_size)
            acc_val = validate(model, val_dataset, batch_size)
            print('After {} epochs , the acc_train is : '.format(epoch + 1), acc_train)
            print('After {} epochs , the acc_val is : '.format(epoch + 1), acc_val)

    return model


def main():
    # 数据集实例化(创建数据集)
    train_dataset = FaceDataset(root='D:\PyCharm_Project\deep learning\model\cnn_train')
    val_dataset = FaceDataset(root='D:\PyCharm_Project\deep learning\model\cnn_val')
    # 超参数可自行指定
    model = train(train_dataset, val_dataset, batch_size=128, epochs=100, learning_rate=0.1, wt_decay=0)
    # 保存模型
    torch.save(model, 'model_net.pkl')


if __name__ == '__main__':
    main()

 

以上程序代码的执行过程需要较长时间,目前我只能在CPU上跑程序,速度慢,算力不足,我差不多用了1天时间训练100轮,训练时间看不同电脑设备配置,如果在GPU上跑会快很多。
下面截取几个训练结果:

 

结果1

 

结果2

 

结果3

 

从结果可以看出,训练在60轮的时候,模型在训练集上的准确率达到99%以上,而在测试集上只有60%左右,很明显出现过拟合的情况,还可以进一步优化参数,使用正则等方法防止过拟合。另外,后面几十轮训练的提升很低,还需要找出原因。

 

这个过程我还在学习中,上面是目前达到的结果,希望之后能够把这个模型进一步优化,提高准确率。

 

小结:

 

学习了机器学习和深度学习有一段时间,基本上看的是李宏毅老师讲解的理论知识,还未真正去实现训练一个模型。这篇记录我第一次学习的项目过程,多有不足,还需不断实践。目前遇到的问题是:1、基本的理论知识能够理解,但是在公式推导和模型选择还未很好掌握。2、未具备训练一个模型的经验(代码实现),后续需要学习实战项目。

 

参考资料:

 

  1. 机器学习-李宏毅(2019)视频
  2. https://ntumlta2019.github.io/ml-web-hw3/
  3. https://www.cnblogs.com/HL-space/p/10888556.html
  4. https://github.com/amineHorseman/facial-expression-recognition-using-cnn

数据集cnn_train.csv我放在CSDN,如果下载不了可以评论留言哦!

 

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