基于PyTorch实现的RankIQA

功能说明：

• 对图像质量进行对比排序（Rank）训练；
• 若图像质量有对应的单个质量评分，可对质量分进行回归预测（regress）训练；
• 若图像质量有多个质量评分，构成一个直方图分布，可对分布进行EMD拟合（emd）训练；
• 训练完毕的网络，可借助application/convert.py应用，将模型转为JIT格式；
• 最后，使用demos/image_assessment.py进行部署调用；

可用的骨干网络包括：

• [x] PyTorch自带的网络：resnet, shufflenet, densenet, mobilenet, mnasnet等；
• [x] MobileNet v3；
• [x] EfficientNet系列；
• [x] ResNeSt系列;

包含特性

• 图像的对比排序训练，损失函数为RankingLoss，调用了PyTorch的nn.margin_rank_loss；
• 图像预测评分和目标评分分布的推土距离损失，损失函数为EMDLoss， 损失函数参考了NIMA: Neural Image Assessment的目标函数；
• 图片单个评分的回归损失，这个支持两种预测结果（num_classes=1直接裸输出作为预测分 和 num_classes>1求softmax概率加权平均）， 与单个评分的回归，用mse做损失函数。

文件结构说明

• applications: 包括test.py, train.py, convert.py等应用，提供给main.py调用；
• checkpoints: 训练好的模型文件保存目录（当前可能不存在）；
• criterions: 自定义损失函数，目前主要包含 ranking_loss, emd_loss, regress_loss；
• data: 训练/测试/验证/预测等数据集存放的路径，数据集格式查看下面的使用说明/数据准备；
• dataloader: 自定义数据集Dataset子类和数据集加载DataLoader子类，保证在不同任务中加载不同格式的数据文件进行训练；
• demos: 模型使用的demo，目前image_assessment.py显示如何调用jit格式模型进行预测；
• logs: 训练过程中TensorBoard日志存放的文件（当前可能不存在）；
• models: 自定义的模型结构；
• optim: 一些前沿的优化器，PyTorch官方还未实现，RAdam可尝试；
• pretrained: 预训练模型文件（当前可能不存在）；
• utils: 工具脚本：图片数据校验check_images.py、日志my_logger.py、数据生成data_generate等；
• config.py: 配置文件；
• main.py: 总入口；
• requirements.txt: 工程依赖包列表；

使用说明

数据准备

在文件夹data下放数据，分成三个文件夹: train/test/val，对应 训练/测试/验证 数据文件夹； 每个子文件夹下，需要根据训练任务的不同放置训练图像（若需要修改数据读取方式等，可查看data/my_dataloader）。

数据准备完毕后，使用utils/check_images.py脚本，检查图像数据的有效性，防止在训练过程中遇到无效图片中止训练。

排序对比损失任务

在每个数据集文件夹根目录下放置标签文件：如训练集data/train/label.txt，每行两张图像的项目相对路径，其中第一个图像质量>第二个图像质量， 内容举例如下：

data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/gaussian_noise/gaussian_noise5/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/gaussian_noise/gaussian_noise7/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/gaussian_noise/gaussian_noise11/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/gaussian_noise/gaussian_noise15/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/gaussian_noise/gaussian_noise21/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/white_noise/white_noise0/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/white_noise/white_noise3/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/white_noise/white_noise5/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/white_noise/white_noise7/carnivaldolls.bmp
data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,data/train/white_noise/white_noise9/carnivaldolls.bmp
...

分布的推土距离损失任务

在每个数据集文件夹根目录下放置标签文件：如训练集data/train/label.txt，每行：一张图像的项目相对路径，这张图的MOS概率分布， 内容举例如下：

data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,0.,0.,0.,0.2,0.8
data/train/gaussian_noise/gaussian_noise7/carnivaldolls.bmp,0.,0.,0.,0.2,0.8
...

表示 图像data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp的评分[1，2，3，4，5]对应的分布为[0.,0.,0.,0.2,0.8]。 注意评分是1:N+1,N=num_classes，这与我损失函数criterions/emd_loss.py的编写相关。

回归损失任务

在每个数据集文件夹根目录下放置标签文件：如训练集data/train/label.txt，每行：一张图像的项目相对路径，这张图的MOS分值 内容举例如下：

data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp,7.6
data/train/gaussian_noise/gaussian_noise7/carnivaldolls.bmp,3.2
...

表示 图像data/train/refimgs/carnivaldolls.bmp的评分为3.2。 在训练时，如果配置num_classes=1，则损失函数计算为：||output - 3.2||； 配置num_classes=N，则损失函数计算为：||(output.softmax() * [1:N+1]).sum() - 3.2||； 详细可参考损失函数criterions/regress_loss.py。

部分重要配置参数说明

针对config.py里的部分重要参数说明如下：

• --data: 数据集根目录，下面包含train, test, val三个目录的数据集，默认当前文件夹下data/目录；
• --image_size: 输入应该为两个整数值，预训练模型的输入时正方形的，也就是[224, 224]之类的； 实际可以根据自己需要更改，数据预处理时，会将图像centercrop等比例部分，然后resize指定的输入尺寸。
• --num_classes: 模型的预测分支数；
• -b: 设置batch size大小，默认为256，可根据GPU显存设置；
• -j: 设置数据加载的进程数，默认为8，可根据CPU使用量设置；
• --criterion: 损失函数，ranking_loss, emd_loss, regress_loss三种；
• --margin: 配合ranking_loss使用，margin表示对比的差异间隔；
• --lr: 初始学习率，main.py里我默认使用Adam优化器；目前学习率的scheduler我使用的是LambdaLR接口，自定义函数规则如下， 详细可参考main.py的adjust_learning_rate(epoch, args)函数：

~ warmup: 0.1
~ warmup + int([1.5 * (epochs - warmup)]/4.0): 1, 
~ warmup + int([2.5 * (epochs - warmup)]/4.0): 0.1
~ warmup + int([3.5 * (epochs - warmup)]/4.0) 0.01
~ epochs: 0.001

• --warmup: warmup的迭代次数，训练前warmup个epoch会将 初始学习率*0.1 作为warmup期间的学习率；
• --epochs: 训练的总迭代次数；
• --resume: 权重文件路径，模型文件将被加载以进行模型初始化，--jit和--evaluation时需要指定；
• --jit: 将模型转为JIT格式，利于部署；
• --evaluation: 在测试集上进行模型评估；

快速使用 —— 使用公开数据集AVA(aesthetic visual analysis)进行训练、测试、部署

下载数据mtobeiyf/ava_downloader

使用说明

可参考对应的z_task_shell/*.sh文件

模型信息打印

打印分支数为6、输入图像分辨率400x224的efficientnet-b0网络的基本信息：

python main.py --arch efficientnet_b0 --num_classes 6 --image_size 244 224

模型训练

基于data/目录下的train数据集，使用分支数为1、输入图像分辨率244x224、损失函数为排序对比损失ranking loss（+ margin=0.1） 的efficientnet-b0网络，同时加载预训练模型、训练学习率warmup 5个epoch，batch size为384， 数据加载worker为16个，训练65个epoch：

python main.py --data data/ --train --arch efficientnet_b0 --num_classes 1 \
--criterion=rank --margin 0.1 -- --use_margin --image_size 244 224 \
--pretrained --warmup 5 --epochs 65 -b 384 -j 16 --gpus 1 --nodes 1

参数的详细说明可查看config.py文件。

模型评估

基于data/目录下的test数据集，评估checkpoints/model_best_efficientnet-b0.pth目录下的模型 （需要指定模型输入、输出、损失函数、模型结构，数据加载的worker，推理时的batch size）：

python main.py --data data -e --arch efficientnet_b0 --num_classes 1 --criterion=rank --margin 0.1 \
--image_size 244 224 --batch_size 5 --workers 0 --resume checkpoints/model_best_efficientnet-b0.pth -g 1 -n 1

参数的详细说明可查看config.py文件。

模型转换

转为jit格式模型文件：

python main.py --jit --arch efficientnet_b0 --num_classes 1 --resume checkpoints/model_best_efficientnet-b0.pth -g 0

模型部署demo

训练好模型后，想用该模型对图像数据进行预测，可使用demos目录下的脚本image_assessment.py：

cd demos
python image_assessment.py

数据集

Reference

d-li14/mobilenetv3.pytorch

lukemelas/EfficientNet-PyTorch

zhanghang1989/ResNeSt

titu1994/neural-image-assessment

TODO

• [x] 预训练模型下载URL整理（参考Reference）；
• [ ] 模型的openvino格式的转换和对应的部署demo；