用自定义生物医学数据集微调视觉 Transformer 模型
作者: Emre Albayrak
本指南概述了在自定义生物医学数据集上微调视觉 transformer（ViT）模型的过程。它包括加载数据集和准备数据集的步骤，为不同的数据拆分设置图像转换，配置和初始化 ViT 模型，以及定义具有评估和可视化工具的训练过程。
数据集信息
自定义数据集是手工制作的，包含 780 张图片，分为 3 类（良性，恶性，正常）。
模型信息
我们所要微调的模型是 Google 的 "vit-large-patch16-224" 模型，该模型可以在 Hugging Face 的模型库中找到。这个模型是在 ImageNet-21k 数据集上进行预训练的，该数据集包含 1400 万张图片和 21,843 个类别。之后，它在 ImageNet 2012 数据集上进行了微调，该数据集有 100 万张图片和 1000 个类别，图像分辨率统一为 224x224。Google 还提供了其他几种 ViT（Vision Transformer）模型，它们具有不同的图像尺寸和分割块大小。
现在，让我们开始吧。
开始
首先，让我们安装库。
!pip install datasets transformers accelerate torch scikit-learn matplotlib wandb
(可选) 我们会把我们的模型推送到 hugging face hub 上，所以我们必须登录。
# from huggingface_hub import notebook_login
# notebook_login()数据集准备
数据集库会自动从数据集中拉取图片和类别。若需更详细的信息，你可以访问这个链接。
from datasets import load_dataset
dataset = load_dataset("emre570/breastcancer-ultrasound-images")
dataset我们已获得数据集。但我们没有验证集。为了创建验证集，我们将根据测试集的大小计算验证集作为训练集的一部分的大小。然后我们将训练数据集拆分为新的训练和验证子集。
# Get the numbers of each set
test_num = len(dataset["test"])
train_num = len(dataset["train"])
val_size = test_num / train_num
train_val_split = dataset["train"].train_test_split(test_size=val_size)
train_val_split我们已获得分离的训练集。现在让我们将其与测试集合并。
from datasets import DatasetDict
dataset = DatasetDict(
{"train": train_val_split["train"], "validation": train_val_split["test"], "test": dataset["test"]}
)
dataset完美！我们的数据集已经准备好了。现在我们将子集分配给不同的变量。我们将在后面使用它们以便于引用。
train_ds = dataset["train"]
val_ds = dataset["validation"]
test_ds = dataset["test"]我们可以看到这张图片是一个与标签关联的PIL.Image对象。
train_ds[0]我们还可以查看训练集的特征。
train_ds.features
让我们从数据集中显示每个类的一个图像。
>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> # Initialize a set to keep track of shown labels
>>> shown_labels = set()
>>> # Initialize the figure for plotting
>>> plt.figure(figsize=(10, 10))
>>> # Loop through the dataset and plot the first image of each label
>>> for i, sample in enumerate(train_ds):
... label = train_ds.features["label"].names[sample["label"]]
... if label not in shown_labels:
... plt.subplot(1, len(train_ds.features["label"].names), len(shown_labels) + 1)
... plt.imshow(sample["image"])
... plt.title(label)
... plt.axis("off")
... shown_labels.add(label)
... if len(shown_labels) == len(train_ds.features["label"].names):
... break
>>> plt.show()
数据处理
数据集已经准备好了。但我们还没有为微调做好准备。我们将按照以下步骤进行：
标签映射： 我们将标签 ID 与其对应的名字之间进行转换，这对于模型训练和评估非常有用。
图像处理： 然后，我们使用 ViTImageProcessor 来标准化输入图像的大小，并应用特定于预训练模型的归一化。同时，我们还将为训练、验证和测试定义不同的转换，以使用 torchvision 提高模型的泛化能力。
转换函数： 实现函数以将转换应用于数据集，将图像转换为 ViT 模型所需格式和尺寸。
数据加载： 设置一个自定义的整理函数以正确地批量处理图像和标签，并创建一个 DataLoader 以在模型训练期间高效地加载数据和批量处理。
批量准备： 检索并显示样本批量中数据的形状，以验证处理是否正确并为模型输入做好准备。
标签映射
id2label = {id: label for id, label in enumerate(train_ds.features["label"].names)}
label2id = {label: id for id, label in id2label.items()}
id2label, id2label[train_ds[0]["label"]]图像处理
from transformers import ViTImageProcessor
model_name = "google/vit-large-patch16-224"
processor = ViTImageProcessor.from_pretrained(model_name)from torchvision.transforms import (
CenterCrop,
Compose,
Normalize,
RandomHorizontalFlip,
RandomResizedCrop,
ToTensor,
Resize,
)
image_mean, image_std = processor.image_mean, processor.image_std
size = processor.size["height"]
normalize = Normalize(mean=image_mean, std=image_std)
train_transforms = Compose(
[
RandomResizedCrop(size),
RandomHorizontalFlip(),
ToTensor(),
normalize,
]
)
val_transforms = Compose(
[
Resize(size),
CenterCrop(size),
ToTensor(),
normalize,
]
)
test_transforms = Compose(
[
Resize(size),
CenterCrop(size),
ToTensor(),
normalize,
]
)创建转换函数
def apply_train_transforms(examples):
examples["pixel_values"] = [train_transforms(image.convert("RGB")) for image in examples["image"]]
return examples
def apply_val_transforms(examples):
examples["pixel_values"] = [val_transforms(image.convert("RGB")) for image in examples["image"]]
return examples
def apply_test_transforms(examples):
examples["pixel_values"] = [val_transforms(image.convert("RGB")) for image in examples["image"]]
return examples将转换函数应用于每个集合
train_ds.set_transform(apply_train_transforms) val_ds.set_transform(apply_val_transforms) test_ds.set_transform(apply_test_transforms)
train_ds.features
train_ds[0]看起来我们将像素值转换成了张量。
数据加载
import torch
from torch.utils.data import DataLoader
def collate_fn(examples):
pixel_values = torch.stack([example["pixel_values"] for example in examples])
labels = torch.tensor([example["label"] for example in examples])
return {"pixel_values": pixel_values, "labels": labels}
train_dl = DataLoader(train_ds, collate_fn=collate_fn, batch_size=4)批量准备
>>> batch = next(iter(train_dl))
>>> for k, v in batch.items():
... if isinstance(v, torch.Tensor):
... print(k, v.shape)pixel_values torch.Size([4, 3, 224, 224]) labels torch.Size([4])
完美！现在我们为微调过程做好了准备。
微调模型
现在我们将配置和微调模型。我们首先使用特定的标签映射和预训练设置初始化模型，调整大小不匹配的问题。训练参数被设置用来定义模型的学习过程，包括保存策略、批量大小和训练轮次，结果将通过 Weights & Biases 进行记录。Hugging Face Trainer 然后将实例化以管理训练和评估，利用自定义数据整理器和模型的内置处理器。最后，在训练之后，模型的性能将在测试数据集上进行评估，并打印指标以评估其准确性。
首先，我们调用我们的模型。
from transformers import ViTForImageClassification
model = ViTForImageClassification.from_pretrained(
model_name, id2label=id2label, label2id=label2id, ignore_mismatched_sizes=True
)这里有一个微妙的细节。ignore_mismatched_sizes 参数。
当你在一个新数据集上微调预训练模型时，有时你的图像的输入大小或模型架构的特定细节（比如分类层中的标签数量）可能与模型最初训练时的大小不完全匹配。这可能会由于各种原因而发生，例如当你在完全不同类型的图像数据（如医学图像或专业相机图像）上使用在一种类型的图像数据（如ImageNet中的自然图像）上训练的模型时。
将 ignore_mismatched_sizes 设置为 True 允许模型调整其层以适应大小差异，而不会抛出错误。
例如，这个模型训练的类数是1000，即 torch.Size([1000])，它期望一个具有 torch.Size([1000]) 类的输入。我们的数据集有3类，即 torch.Size([3]) 类。如果我们直接给它，它会抛出错误，因为类别数量不匹配。
然后，为这个模型定义来自谷歌的训练参数。
(可选) 注意，由于我们将 report_to 参数设置为 wandb，指标将被保存在 Weights & Biases 中。W&B 将要求你提供一个 API 密钥，因此你应该创建一个账户和一个API密钥。如果你不希望这样做，你可以删除 report_to 参数。
from transformers import TrainingArguments, Trainer
import numpy as np
train_args = TrainingArguments(
output_dir="output-models",
save_total_limit=2,
report_to="wandb",
save_strategy="epoch",
evaluation_strategy="epoch",
learning_rate=2e-5,
per_device_train_batch_size=10,
per_device_eval_batch_size=4,
num_train_epochs=40,
weight_decay=0.01,
load_best_model_at_end=True,
logging_dir="logs",
remove_unused_columns=False,
)我们现在可以使用 Trainer 开始微调过程。
trainer = Trainer(
model,
train_args,
train_dataset=train_ds,
eval_dataset=val_ds,
data_collator=collate_fn,
tokenizer=processor,
)
trainer.train()| Epoch | 训练损失 | 验证损失 | 准确率 |
|---|---|---|---|
| 40 | 0.174700 | 0.596288 | 0.903846 |
微调过程已完成。接下来，我们继续使用测试集评估模型。
>>> outputs = trainer.predict(test_ds)
>>> print(outputs.metrics){'test_loss': 0.40843912959098816, 'test_runtime': 4.9934, 'test_samples_per_second': 31.242, 'test_steps_per_second': 7.81}
{'test_loss': 0.3219967782497406, 'test_accuracy': 0.9102564102564102, 'test_runtime': 4.0543, 'test_samples_per_second': 38.478, 'test_steps_per_second': 9.619}
(可选) 将模型推送到 Hub
我们可以使用 push_to_hub 将我们的模型推送到 Hugging Face Hub。
model.push_to_hub("your_model_name")太棒了！让我们可视化结果。
结果
我们已经完成了微调。让我们看看我们的模型是如何预测类别的，使用 scikit-learn 的混淆矩阵显示，并展示召回率。
什么是混淆矩阵？
混淆矩阵是一种特定的表格布局，它允许可视化算法的性能，通常是监督学习模型，在一组已知真实值的测试数据上。它特别有用，因为可以检查分类模型的性能，因为它显示了真实标签与预测标签的频率。
让我们绘制我们模型的混淆矩阵。
>>> from sklearn.metrics import confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay
>>> y_true = outputs.label_ids
>>> y_pred = outputs.predictions.argmax(1)
>>> labels = train_ds.features["label"].names
>>> cm = confusion_matrix(y_true, y_pred)
>>> disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=cm, display_labels=labels)
>>> disp.plot(xticks_rotation=45)
什么是召回率？
召回率是分类任务中使用的性能指标，用于衡量模型正确识别数据集中所有相关实例的能力。具体来说，召回率评估了模型正确预测为阳性的实际阳性比例。
让我们使用 scikit-learn 打印召回率。
>>> from sklearn.metrics import recall_score
>>> # Calculate the recall scores
>>> # 'None' calculates recall for each class separately
>>> recall = recall_score(y_true, y_pred, average=None)
>>> # Print the recall for each class
>>> for label, score in zip(labels, recall):
... print(f"Recall for {label}: {score:.2f}")Recall for benign: 0.90 Recall for malignant: 0.86 Recall for normal: 0.78
良性召回率为0.90， 恶性召回率为0.86， 正常召回率为0.78
结论
在这个指南中，我们介绍了如何使用医学数据集训练一个 ViT 模型。它涵盖了关键的步骤，如数据集准备、图像预处理、模型配置、训练、评估和结果可视化。通过利用 Hugging Face 的 Transformers 库、scikit-learn 和 PyTorch Torchvision，它促进了高效的模型训练和评估，提供了关于模型性能及其准确分类生物医学图像能力的宝贵见解。
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