备注
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空间变换网络教程 ¶
创建于：2025 年 4 月 1 日 | 最后更新：2025 年 4 月 1 日 | 最后验证：2024 年 11 月 5 日
作者：哈桑·哈姆罗尼
在本教程中，您将学习如何使用名为空间变换网络的可视注意力机制来增强您的网络。您可以在 DeepMind 的论文中了解更多关于空间变换网络的信息
空间变换网络是对可微注意力的一种推广，适用于任何空间变换。空间变换网络（简称 STN）允许神经网络学习如何在输入图像上执行空间变换，以增强模型的几何不变性。例如，它可以裁剪感兴趣的区域，调整图像的尺寸和方向。这可以是一个有用的机制，因为 CNN 对旋转和缩放以及更一般的仿射变换不具有不变性。
STN 最出色的特点之一是能够简单地将其插入到任何现有的 CNN 中，几乎无需修改。
# License: BSD
# Author: Ghassen Hamrouni
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
import torchvision
from torchvision import datasets, transforms
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
plt.ion() # interactive mode
加载数据
在本文中，我们使用经典的 MNIST 数据集进行实验。使用标准卷积网络与空间变换网络相结合。
from six.moves import urllib
opener = urllib.request.build_opener()
opener.addheaders = [('User-agent', 'Mozilla/5.0')]
urllib.request.install_opener(opener)
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
# Training dataset
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
datasets.MNIST(root='.', train=True, download=True,
transform=transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])), batch_size=64, shuffle=True, num_workers=4)
# Test dataset
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(
datasets.MNIST(root='.', train=False, transform=transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])), batch_size=64, shuffle=True, num_workers=4)
描述空间变换网络
空间变换网络可以归结为三个主要组件：
定位网络是一个常规的卷积神经网络，它回归变换参数。变换参数从未从这个数据集中显式学习，相反，网络自动学习空间变换，从而提高了全局精度。
网格生成器生成输入图像中与输出图像中每个像素相对应的坐标网格。
样本器使用变换的参数并将其应用于输入图像。
备注
我们需要包含 affine_grid 和 grid_sample 模块的最新版本的 PyTorch。
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)
self.conv2 = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)
self.conv2_drop = nn.Dropout2d()
self.fc1 = nn.Linear(320, 50)
self.fc2 = nn.Linear(50, 10)
# Spatial transformer localization-network
self.localization = nn.Sequential(
nn.Conv2d(1, 8, kernel_size=7),
nn.MaxPool2d(2, stride=2),
nn.ReLU(True),
nn.Conv2d(8, 10, kernel_size=5),
nn.MaxPool2d(2, stride=2),
nn.ReLU(True)
)
# Regressor for the 3 * 2 affine matrix
self.fc_loc = nn.Sequential(
nn.Linear(10 * 3 * 3, 32),
nn.ReLU(True),
nn.Linear(32, 3 * 2)
)
# Initialize the weights/bias with identity transformation
self.fc_loc[2].weight.data.zero_()
self.fc_loc[2].bias.data.copy_(torch.tensor([1, 0, 0, 0, 1, 0], dtype=torch.float))
# Spatial transformer network forward function
def stn(self, x):
xs = self.localization(x)
xs = xs.view(-1, 10 * 3 * 3)
theta = self.fc_loc(xs)
theta = theta.view(-1, 2, 3)
grid = F.affine_grid(theta, x.size())
x = F.grid_sample(x, grid)
return x
def forward(self, x):
# transform the input
x = self.stn(x)
# Perform the usual forward pass
x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2))
x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2_drop(self.conv2(x)), 2))
x = x.view(-1, 320)
x = F.relu(self.fc1(x))
x = F.dropout(x, training=self.training)
x = self.fc2(x)
return F.log_softmax(x, dim=1)
model = Net().to(device)
训练模型
现在，让我们使用 SGD 算法来训练模型。网络以监督方式学习分类任务。同时，模型以端到端的方式自动学习 STN。
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
def train(epoch):
model.train()
for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
data, target = data.to(device), target.to(device)
optimizer.zero_grad()
output = model(data)
loss = F.nll_loss(output, target)
loss.backward()
optimizer.step()
if batch_idx % 500 == 0:
print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))
#
# A simple test procedure to measure the STN performances on MNIST.
#
def test():
with torch.no_grad():
model.eval()
test_loss = 0
correct = 0
for data, target in test_loader:
data, target = data.to(device), target.to(device)
output = model(data)
# sum up batch loss
test_loss += F.nll_loss(output, target, size_average=False).item()
# get the index of the max log-probability
pred = output.max(1, keepdim=True)[1]
correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()
test_loss /= len(test_loader.dataset)
print('\nTest set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'
.format(test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
100. * correct / len(test_loader.dataset)))
可视化 STN 结果
现在，我们将检查我们学习到的视觉注意力机制的结果。
我们定义了一个小的辅助函数，以便在训练过程中可视化变换。
def convert_image_np(inp):
"""Convert a Tensor to numpy image."""
inp = inp.numpy().transpose((1, 2, 0))
mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
inp = std * inp + mean
inp = np.clip(inp, 0, 1)
return inp
# We want to visualize the output of the spatial transformers layer
# after the training, we visualize a batch of input images and
# the corresponding transformed batch using STN.
def visualize_stn():
with torch.no_grad():
# Get a batch of training data
data = next(iter(test_loader))[0].to(device)
input_tensor = data.cpu()
transformed_input_tensor = model.stn(data).cpu()
in_grid = convert_image_np(
torchvision.utils.make_grid(input_tensor))
out_grid = convert_image_np(
torchvision.utils.make_grid(transformed_input_tensor))
# Plot the results side-by-side
f, axarr = plt.subplots(1, 2)
axarr[0].imshow(in_grid)
axarr[0].set_title('Dataset Images')
axarr[1].imshow(out_grid)
axarr[1].set_title('Transformed Images')
for epoch in range(1, 20 + 1):
train(epoch)
test()
# Visualize the STN transformation on some input batch
visualize_stn()
plt.ioff()
plt.show()
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