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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)。

attachment:datasetinfo.png

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

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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