基于C3D网络的视频分析与动作识别-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了基于C3D网络的视频分析与动作识别。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

卷积神经网络（CNN）被广泛应用于计算机视觉中，包括分类、检测、分割等任务。这些任务一般都是针对图像进行的，使用的是二维卷积（即卷积核的维度为二维）。而对于基于视频分析的问题，2D convolution不能很好得捕获时序上的信息，因此3D卷积就被提出来了。

3D卷积最早应该是在《3D convolutional neural networks for human action recognition》这片论文中被提出并用于行为识别的，而C3D是作为一个通用的网络提出的，论文中将其用于行为识别，场景识别，视频相似度分析等领域。
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3D卷积与2D卷积的区别

首先看一下二维卷积，一个3*3的卷积核，在单通道图像上进行卷积，得到输出。
基于C3D网络的视频分析与动作识别
然后我们再看一下3维卷积，一个3*3*3的卷积核在立方体上进行卷积，得到输出：

多通道卷积不同的通道上的卷积核的参数是不同的，而3D卷积则由于卷积核本身是3D的，所以这个由于“深度”造成的看似不同通道上用的就是同一个卷积，权重共享。

总之，多了一个深度通道，这个深度可能是视频上的连续帧，也可能是立体图像中的不同切片。

3D卷积的应用

上面也说了，3D卷积就是多了一个深度通道，而这个深度通道可能是视频上的连续帧，也可能是立体图像中的不同切片，所以从应用上来说，主要就是两大主要方向。

视频分类

相比于2D图像，什么数据多了一个维度呢？当然就是视频了，视频的帧数，就是完美的另一个深度维度，将3D卷积用于视频的分类.

基于C3D网络的视频分析与动作识别
如上图，是一个使用了3D CNN的网络结构，网络很浅，只有3个卷积层和1个全连接层，2个池化层，这里有两个3D卷积层，卷积核大小分别是7x7x3，7x6x3，前两维是空间的卷积，后一维是时间的卷积。

这个网络结构在视频分类数据集UCF-101上的top-1精度为63.3%，别看这个指标不高，其他的比如LSTM，双流网络等也差不太多，而普通的2D卷积或者传统方法则要低于这个指标。

图像分割

既然可以用于分类，自然也可以用于分割。不过对视频使用3D卷积似乎优势并不大，而在医学领域的应用前景更大一些。

医学数据通常都是3D的，比如CT扫描的数据，虽然我们看的片子是2D的，但其实那只是一个切片，真正的扫描数据是3D的。

而如果要分割出一些病变组织，比如肿瘤，也必须是3D的。
基于C3D网络的视频分析与动作识别
具体的网络结构就是将U-Net改为3D的形式。

基于C3D网络的视频分析与动作识别

基于C3D网络视频动作分析

视频分析中，时间序列维度上通过一次输入连续帧到C3D网络中进行分析，注意和图像分析中的batch进行区分，C3D网络输入的维度多了一个时间维度，一次会传入前后多张图像。

C3D 模型

论文链接
论文翻译
该论文发现：

1、3D ConvNets比2D ConvNets更适用于时空特征的学习；
2、对于3D ConvNet而言，在所有层使用3×3×3的小卷积核效果最好；
3、我们通过简单的线性分类器学到的特征名为C3D(Convolutional 3D)，在4个不同的基准上优于现有的方法，并在其他2个基准上与目前最好的方法相当。

论文的主要贡献

我们的实验表明3D卷积深度网络是好的学习器，可以对外观和运动同时建模。
我们的经验发现，在有限的探究框架中，所有层使用3×3×3卷积核效果最好。
在4个任务和4个基准上，提出的特征通过简单的线性模型可以超过或接近目前最好的方法(见下表)。这些特征紧凑、计算高效。

C3D模型代码

class C3D(nn.Module):
    """
    The C3D network.
    """

    def __init__(self, num_classes):
        super(C3D, self).__init__()

        self.conv1 = nn.Conv3d(3, 64, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.pool1 = nn.MaxPool3d(kernel_size=(1, 2, 2), stride=(1, 2, 2))

        self.conv2 = nn.Conv3d(64, 128, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.pool2 = nn.MaxPool3d(kernel_size=(2, 2, 2), stride=(2, 2, 2))

        self.conv3a = nn.Conv3d(128, 256, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.conv3b = nn.Conv3d(256, 256, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.pool3 = nn.MaxPool3d(kernel_size=(2, 2, 2), stride=(2, 2, 2))

        self.conv4a = nn.Conv3d(256, 512, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.conv4b = nn.Conv3d(512, 512, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.pool4 = nn.MaxPool3d(kernel_size=(2, 2, 2), stride=(2, 2, 2))

        self.conv5a = nn.Conv3d(512, 512, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.conv5b = nn.Conv3d(512, 512, kernel_size=(3, 3, 3), padding=(1, 1, 1))
        self.pool5 = nn.MaxPool3d(kernel_size=(2, 2, 2), stride=(2, 2, 2), padding=(0, 1, 1))

        self.fc6 = nn.Linear(8192, 4096)
        self.fc7 = nn.Linear(4096, 4096)
        self.fc8 = nn.Linear(4096, num_classes)

        self.dropout = nn.Dropout(p=0.5)

        self.relu = nn.ReLU()

        self.__init_weight()


    def forward(self, x):
        #print ('1:',x.size())
        x = self.relu(self.conv1(x))
        #print ('2:',x.size())
        x = self.pool1(x)
        #print ('3:',x.size())

        x = self.relu(self.conv2(x))
        #print ('4:',x.size())
        x = self.pool2(x)
        #print ('5:',x.size())

        x = self.relu(self.conv3a(x))
        #print ('6:',x.size())
        x = self.relu(self.conv3b(x))
        #print ('7:',x.size())
        x = self.pool3(x)
        #print ('8:',x.size())

        x = self.relu(self.conv4a(x))
        #print ('9:',x.size())
        x = self.relu(self.conv4b(x))
        #print ('10:',x.size())
        x = self.pool4(x)
        #print ('11:',x.size())

        x = self.relu(self.conv5a(x))
        #print ('12:',x.size())
        x = self.relu(self.conv5b(x))
        #print ('13:',x.size())
        x = self.pool5(x)
        #print ('14:',x.size())

        x = x.view(-1, 8192)
        #print ('15:',x.size())
        x = self.relu(self.fc6(x))
        #print ('16:',x.size())
        x = self.dropout(x)
        x = self.relu(self.fc7(x))
        x = self.dropout(x)

        logits = self.fc8(x)
        #print ('17:',logits.size())
        return logits

C3D网络架构跟2D网络架构没啥区别，就是多了一个时间维度。它的kernel_size和pading、stride都是对应的三维的，如kernel_size=(3,3,3) 和 padding=(1,2,2)，stride=(2,2,2)。其中kernel_size中第一个3表示3帧卷积一次提取特征。
第一次Maxpool3d对应的kernel_size=(1,2,2)和stride_size(1,2,2),其中时间维度对应kernel值为1，w,h对应2，说明经过该Maxpool3d时间维度大小不变，图片宽高的特征变为一半。原作者解释，在做3D卷积时，不希望一开始就压缩时间维度上的特征。
第二次Maxpool3d对应的kernel_size=(2,2,2)和stride_size(2,2,2)都变为2，进行时间维度、w,h方向的特征压缩，同时channel越来越大。
最好通过连接3个连接层，输出最终的结果。

UCF-101 数据集

数据集介绍

UCF101是一个现实动作视频的动作识别数据集，收集自YouTube，提供了来自101个动作类别的13320个视频。
基于C3D网络的视频分析与动作识别

总视频数：13,320个视频
总时长：27个小时
视频来源：YouTube采集
视频类别：101 种
主要包括5大类动作：人与物体交互，单纯的肢体动作，人与人交互，演奏乐器，体育运动
每个类别（文件夹）分为25组，每组4~7个短视频，每个视频时长不等
具体类别：涂抹眼妆，涂抹口红，射箭，婴儿爬行，平衡木，乐队游行，棒球场，篮球投篮，篮球扣篮，卧推，骑自行车，台球射击，吹干头发，吹蜡烛，体重蹲，保龄球，拳击沙袋，拳击速度袋，蛙泳，刷牙，清洁和挺举，悬崖跳水，板球保龄球，板球射击，在厨房切割，潜水，打鼓，击剑，曲棍球罚款，地板体操，飞盘接球，前爬网，高尔夫挥杆，理发，链球掷，锤击，倒立俯卧撑，倒立行走，头部按摩，跳高，跑马，骑马，呼啦圈，冰舞，标枪掷，杂耍球，跳绳，跳跃杰克，皮划艇，针织，跳远，刺，阅兵，混合击球手，拖地板，修女夹头，双杠，披萨折腾，弹吉他，弹钢琴，弹塔布拉琴，弹小提琴，弹大提琴，弹Daf，弹Dhol，弹长笛，弹奏锡塔琴，撑竿跳高，鞍马，引体向上，拳打，俯卧撑，漂流，室内攀岩，爬绳，划船，莎莎旋转，剃胡子，铅球，滑板溜冰，滑雪，Skijet，跳伞，足球杂耍，足球罚球，静环，相扑摔跤，冲浪，秋千，乒乓球拍，太极拳，网球秋千，投掷铁饼，蹦床跳跃，打字，高低杠，排球突刺，与狗同行，墙上俯卧撑，在船上写字，溜溜球。剃胡须，铅球，滑冰登机，滑雪，Skijet，跳伞，足球杂耍，足球罚款，静物环，相扑，冲浪，秋千，乒乓球射击，太极拳，网球秋千，掷铁饼，蹦床跳跃，打字，不均匀酒吧，排球突刺，与狗同行，壁式俯卧撑，船上写字，溜溜球。剃胡须，铅球，滑冰登机，滑雪，Skijet，跳伞，足球杂耍，足球罚款，静物环，相扑，冲浪，秋千，乒乓球射击，太极拳，网球秋千，掷铁饼，蹦床跳跃，打字，不均匀酒吧，排球突刺，与狗同行，壁式俯卧撑，船上写字，溜溜球

每种视频类型，包括一系列的视频片段：
基于C3D网络的视频分析与动作识别
数据集下载
UCF101数据下载
官方数据划分下载

数据处理

有了视频之后需要干什么呢？实际在网络输入的时候真能输入一个视频吗？，答案肯定不是的。大家想想我们构造C3D模型进行动作分析，输入3D的卷积中，除了第一个维度batch之外，第二个维度代表是序列的长度，假设序列的长度是16，那么在视频处理时我们需要从中提取出16帧的图像。因此我们需要先对视频数据集做预处理，从每个视频中抽取16帧,16帧组成输入的16个序列。

大家可能会觉得做模型训练过程中，把视频读进来，边抽取数据会比较好，答案是可以的，但相对会比较麻烦，这样会导致每次训练过程，都需要从视频中抽取数据，而且训练过程还需要调参，需要消耗大量的算力。

所以在拿到视频数据后，第一步都需要对视频数据做预处理，把视频数据转换为后续需要用的一帧帧图像数据，并且保存到文件中，这样后续建模中会更加方便。

将UCF-101视频数据按每类动作视频抽取的图像，并划分训练集、验证集、测试集。提取后的图片数据单独存放在data_process文件夹，data_process下面新建test,train,val文件

如果不想从视频中提取划分图片，可以直接下载官方划分好的数据集
对视频每隔EXTRACT_FREQUENCY提取一帧图像，·EXTRACT_FREQUENCY·初始化为4（每隔4帧区一张图像），但由于各个视频长短不一样，为了保证每个视频至少能够提取16张图像，所以针对不同视频调整EXTRACT_FREQUENCY的值。
根据论文，需要将图像的宽高调整到：（171,128）,其中代码中self.resize_width=171，self.resize_height=128，另外还需要将得到的图片随机裁剪crop_size=112大小。
提取每个视频16张图片序列，输入到C3D模型中

 def preprocess(self):
        if not os.path.exists(self.output_dir):
            os.mkdir(self.output_dir)
            os.mkdir(os.path.join(self.output_dir, 'train'))
            os.mkdir(os.path.join(self.output_dir, 'val'))
            os.mkdir(os.path.join(self.output_dir, 'test'))

        # Split train/val/test sets
        for file in os.listdir(self.root_dir):
            file_path = os.path.join(self.root_dir, file)
            video_files = [name for name in os.listdir(file_path)]

            train_and_valid, test = train_test_split(video_files, test_size=0.2, random_state=42)
            train, val = train_test_split(train_and_valid, test_size=0.2, random_state=42)

            train_dir = os.path.join(self.output_dir, 'train', file)
            val_dir = os.path.join(self.output_dir, 'val', file)
            test_dir = os.path.join(self.output_dir, 'test', file)

            if not os.path.exists(train_dir):
                os.mkdir(train_dir)
            if not os.path.exists(val_dir):
                os.mkdir(val_dir)
            if not os.path.exists(test_dir):
                os.mkdir(test_dir)

            for video in train:
                self.process_video(video, file, train_dir)

            for video in val:
                self.process_video(video, file, val_dir)

            for video in test:
                self.process_video(video, file, test_dir)

        print('Preprocessing finished.')
        
 def process_video(self, video, action_name, save_dir):
        # Initialize a VideoCapture object to read video data into a numpy array
        video_filename = video.split('.')[0]
        if not os.path.exists(os.path.join(save_dir, video_filename)):
            os.mkdir(os.path.join(save_dir, video_filename))

        capture = cv2.VideoCapture(os.path.join(self.root_dir, action_name, video))

        frame_count = int(capture.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT))
        frame_width = int(capture.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
        frame_height = int(capture.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))

        # Make sure splited video has at least 16 frames
        EXTRACT_FREQUENCY = 4
        if frame_count // EXTRACT_FREQUENCY <= 16:
            EXTRACT_FREQUENCY -= 1
            if frame_count // EXTRACT_FREQUENCY <= 16:
                EXTRACT_FREQUENCY -= 1
                if frame_count // EXTRACT_FREQUENCY <= 16:
                    EXTRACT_FREQUENCY -= 1

        count = 0
        i = 0
        retaining = True

        while (count < frame_count and retaining):
            retaining, frame = capture.read()
            if frame is None:
                continue

            if count % EXTRACT_FREQUENCY == 0:
                if (frame_height != self.resize_height) or (frame_width != self.resize_width):
                    frame = cv2.resize(frame, (self.resize_width, self.resize_height))
                cv2.imwrite(filename=os.path.join(save_dir, video_filename, '0000{}.jpg'.format(str(i))), img=frame)
                i += 1
            count += 1

        # Release the VideoCapture once it is no longer needed
        capture.release()

def load_frames(self, file_dir):
        frames = sorted([os.path.join(file_dir, img) for img in os.listdir(file_dir)])
        frame_count = len(frames)
        buffer = np.empty((frame_count, self.resize_height, self.resize_width, 3), np.dtype('float32'))
        for i, frame_name in enumerate(frames):
            frame = np.array(cv2.imread(frame_name)).astype(np.float64)
            buffer[i] = frame

        return buffer

def crop(self, buffer, clip_len, crop_size):
     # randomly select time index for temporal jittering
     time_index = np.random.randint(buffer.shape[0] - clip_len)

     # Randomly select start indices in order to crop the video
     height_index = np.random.randint(buffer.shape[1] - crop_size)
     width_index = np.random.randint(buffer.shape[2] - crop_size)

     # Crop and jitter the video using indexing. The spatial crop is performed on
     # the entire array, so each frame is cropped in the same location. The temporal
     # jitter takes place via the selection of consecutive frames
     buffer = buffer[time_index:time_index + clip_len,
              height_index:height_index + crop_size,
              width_index:width_index + crop_size, :]

     return buffer

自定义Dataset

有时候，在处理大数据集时，一次将整个数据加载到内存中变得非常难。因此，唯一的方法是将数据分批加载到内存中进行处理，这需要编写额外的代码来执行此操作。对此，PyTorch 已经提供了 Dataloader 功能。

下面显示了 PyTorch 库中DataLoader函数的语法及其参数信息。

torch.utils.data.DataLoader(dataset, batch_size=1, shuffle=False, sampler=None, batch_sampler=None, num_workers=0, collate_fn=None, pin_memory=False, drop_last=False, timeout=0, worker_init_fn=None, multiprocessing_context=None, generator=None, *, prefetch_factor=2, persistent_workers=False)

参见pytorch官方文档，

主要参数:

dataset (dataset)—从其中加载数据的数据集。
Batch_size (int，可选)-每批加载多少个样本(默认值:1)。
shuffle (bool，可选)-设置为True在每个时期重新洗牌数据(默认:False)。
sampler (sampler或Iterable，可选)-定义从数据集中抽取样本的策略。可以是任何实现了__len__的可迭代对象。如果指定了，则不能指定shuffle。
batch_sampler (Sampler或Iterable，可选)-类似于Sampler，但每次返回一批索引。与batch_size、shuffle、sampler和dro函数互斥
Num_workers (int，可选)——用于数据加载的子进程数。0表示数据将在主进程中加载。(默认值:0)
collate_fn(可调用，可选)-合并一个样本列表，形成一个张量的小批。当从映射风格的数据集使用批处理加载时使用。
pin_memory (bool，可选)-如果为True，数据加载器将在返回张量之前将张量复制到CUDA固定内存中。
drop_last (bool，可选)-如果数据集大小不能被批处理大小整除，则设置为True将删除最后一个未完成的批处理。如果为False且数据集的大小不能被批处理大小整除，则最后一批将更小。(默认值:False)
Timeout(数值，可选)-如果为正值，则为从workers中收集批处理的超时值。应该总是非负的。(默认值:0)
worker_init_fn(可调用，可选)-如果不是None，将在每个worker子进程上调用这个- worker id (int in [0, num_workers - 1])作为输入，在播种之后和数据加载之前。
generator(torch.Generator,Generator，可选)-如果不是None，则RandomSampler将使用该RNG生成随机索引，并使用multiprocessing为worker生成base_seed。(默认值:无)
prefetch_factor (int，可选，仅关键字arg) -每个worker预先加载的样本数量。2表示在所有workers中总共会预取2 * num_workers样本。(默认值:2)
persistent_workers (bool，可选)-如果为True，数据加载器将不会在一个数据集被使用一次后关闭工作进程。这允许保持workers Dataset实例是活的。(默认值:False)

DataLoader支持map-style和可iterable-style数据集，可以单进程或多进程加载、自定义加载顺序和可选的自动批处理(排序)和内存固定。其中map-style类的数据集需要继承Dataset类：
基于C3D网络的视频分析与动作识别
因此通过继承Dataset类自定义数据集。

pytorch自定义数据集，需要继承Dataset类，并改写__init__, len,__getitme__函数。具体结构如下：

class ReadDataset(Dataset):
    def __init__(self, 参数...):

    def __len__(self, 参数...):
        ...
        return 数据长度

    def __getitem__(self, 参数...):
        ...
        return 字典

自定义Dataset的代码如下：

class VideoDataset(Dataset):
    r"""A Dataset for a folder of videos. Expects the directory structure to be
    directory->[train/val/test]->[class labels]->[videos]. Initializes with a list
    of all file names, along with an array of labels, with label being automatically
    inferred from the respective folder names.

        Args:
            dataset (str): Name of dataset. Defaults to 'ucf101'.
            split (str): Determines which folder of the directory the dataset will read from. Defaults to 'train'.
            clip_len (int): Determines how many frames are there in each clip. Defaults to 16.
            preprocess (bool): Determines whether to preprocess dataset. Default is False.
    """
    # 注意第一次要预处理数据的
    def __init__(self, dataset='ucf101', split='train', clip_len=16, preprocess=False):
        self.root_dir, self.output_dir = Path.db_dir(dataset)
        folder = os.path.join(self.output_dir, split)
        self.clip_len = clip_len
        self.split = split

        # The following three parameters are chosen as described in the paper section 4.1
        self.resize_height = 128
        self.resize_width = 171
        self.crop_size = 112

        if not self.check_integrity():
            raise RuntimeError('Dataset not found or corrupted.' +
                               ' You need to download it from official website.')

        if (not self.check_preprocess()) or preprocess:
            print('Preprocessing of {} dataset, this will take long, but it will be done only once.'.format(dataset))
            self.preprocess()

        # Obtain all the filenames of files inside all the class folders
        # Going through each class folder one at a time
        self.fnames, labels = [], []
        for label in sorted(os.listdir(folder)):
            for fname in os.listdir(os.path.join(folder, label)):
                self.fnames.append(os.path.join(folder, label, fname))
                labels.append(label)

        assert len(labels) == len(self.fnames)
        print('Number of {} videos: {:d}'.format(split, len(self.fnames)))

        # Prepare a mapping between the label names (strings) and indices (ints)
        self.label2index = {label: index for index, label in enumerate(sorted(set(labels)))}
        # Convert the list of label names into an array of label indices
        self.label_array = np.array([self.label2index[label] for label in labels], dtype=int)

        if dataset == "ucf101":
            if not os.path.exists('dataloaders/ucf_labels.txt'):
                with open('dataloaders/ucf_labels.txt', 'w') as f:
                    for id, label in enumerate(sorted(self.label2index)):
                        f.writelines(str(id+1) + ' ' + label + '\n')

        elif dataset == 'hmdb51':
            if not os.path.exists('dataloaders/hmdb_labels.txt'):
                with open('dataloaders/hmdb_labels.txt', 'w') as f:
                    for id, label in enumerate(sorted(self.label2index)):
                        f.writelines(str(id+1) + ' ' + label + '\n')


    def __len__(self):
        return len(self.fnames)

    #需要重写__getitem__方法
    def __getitem__(self, index):
        # Loading and preprocessing.
        buffer = self.load_frames(self.fnames[index]) #一共有8460个文件夹
        buffer = self.crop(buffer, self.clip_len, self.crop_size)
        labels = np.array(self.label_array[index])

        if self.split == 'test':
            # Perform data augmentation
            buffer = self.randomflip(buffer)
        buffer = self.normalize(buffer)
        buffer = self.to_tensor(buffer)
        return torch.from_numpy(buffer), torch.from_numpy(labels)

self.load_frames()，将每个视频提取后的图片，保存在一个buffer中。
self.crop() , 对self.load_frames()保存的buffer数据中，截取clip_len=16张时序图片，并对每张图片在w,h维度上随机裁取crop_size=112大小。
对test数据通过self.randomflip()，水平随机翻转进行数据增强
self.normalize() 对图片数据沿着RGB3通道进行去均值的操作，3通道的均值为:
np.array([[[90.0,98.0,102.0]]]) ,训练集进行去均值处理，同理测试集也需要去均值处理。
torch.from_numpy 将nd.array格式的数据，不满足pytorch tensor的数据格式要求，因此通过torch.from_numpy将数据转换为tensor格式
__getitem__(self, index)返回对应index索引下的buffer数据和标签labels

创建GPU训练环境

虚拟环境创建

conda create -n C3D_env python=3.8 -y
conda activate C3D_env

安装pytorch_gpu环境

训练脚本介绍

代码结构如下，其中train.py为训练的脚本
基于C3D网络的视频分析与动作识别
设置训练参数：

# Use GPU if available else revert to CPU
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print("Device being used:", device)

nEpochs = 101  # Number of epochs for training
resume_epoch = 0  # Default is 0, change if want to resume
useTest = True # See evolution of the test set when training
nTestInterval = 20 # Run on test set every nTestInterval epochs
snapshot = 25 # Store a model every snapshot epochs
lr = 1e-5 # Learning rate

resume_epoch当训练中断时，可以不需要重新开始训练，可以从设置resume_epoch处开始训练，如resume_epoch=30，表示从之前epoch=30的训练结果中开始训练。
snapshot=25表示每隔25个epoch保存一次模型
lr = 1e-5 ，指定了一个非常小的学习率，因为根据测试指定 $10)^{-3}$ 、
$10^{-4}$ 训练效果不是很好

准备用于训练、验证、测试的dataloader数据

train_dataloader = DataLoader(VideoDataset(dataset=dataset, split='train',clip_len=16), batch_size=6, shuffle=True, num_workers=0)
val_dataloader   = DataLoader(VideoDataset(dataset=dataset, split='val',  clip_len=16), batch_size=6, num_workers=0)
test_dataloader  = DataLoader(VideoDataset(dataset=dataset, split='test', clip_len=16), batch_size=6, num_workers=0)

其中clip_len=16表示时间序列长度，一次性处理16帧的数据，时间序列维度正是3D卷积相比2D卷积新增加的特性，具有时间特性。
batch_size表示批处理的数据。输入网络数据的维度为(batch_size,channel,clip_len,w,h) 。batch_sizebatch_size越大，一个epoch迭代的次数就越少，因此训练速度就越快。如果你显卡是12G以上，可以尝试设置为24，如果显卡的内存不足可以减少batch_size

训练过程说明

训练过程，每个epoch，通过sceduler.step()更新学习率lr，验证阶段不需要，代码上设置如下：

  if phase == 'train':
                # scheduler.step() is to be called once every epoch during training
                scheduler.step()
                model.train()
            else:
                model.eval()

然后通过dataloader加载数据和标签，将数据带入模型，在训练阶段更新梯度，验证阶段不更新。通过Softmax计算输出的分类概率，去概率最大的索引作为预测的类别索引。
每个epoch结束时计算一次平均损失，以及精度，并将结果保存到tensorboard，方便查看训练过程的损失和精度变化。

    for epoch in range(resume_epoch, num_epochs):
        # each epoch has a training and validation step
        for phase in ['train', 'val']:
            start_time = timeit.default_timer()

            # reset the running loss and corrects
            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0.0

            # set model to train() or eval() mode depending on whether it is trained
            # or being validated. Primarily affects layers such as BatchNorm or Dropout.
            if phase == 'train':
                # scheduler.step() is to be called once every epoch during training
                scheduler.step()
                model.train()
            else:
                model.eval()

            for inputs, labels in tqdm(trainval_loaders[phase]):
                # move inputs and labels to the device the training is taking place on
                inputs = Variable(inputs, requires_grad=True).to(device)
                labels = Variable(labels).to(device)
                optimizer.zero_grad()

                if phase == 'train':
                    outputs = model(inputs)
                else:
                    with torch.no_grad():
                        outputs = model(inputs)

                probs = nn.Softmax(dim=1)(outputs)
                preds = torch.max(probs, 1)[1]
                loss = criterion(outputs, labels.long())

                if phase == 'train':
                    loss.backward()
                    optimizer.step()

                running_loss += loss.item() * inputs.size(0)
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)

            epoch_loss = running_loss / trainval_sizes[phase]
            epoch_acc = running_corrects.double() / trainval_sizes[phase]

            if phase == 'train':
                writer.add_scalar('data/train_loss_epoch', epoch_loss, epoch)
                writer.add_scalar('data/train_acc_epoch', epoch_acc, epoch)
            else:
                writer.add_scalar('data/val_loss_epoch', epoch_loss, epoch)
                writer.add_scalar('data/val_acc_epoch', epoch_acc, epoch)

保存模型

if epoch % save_epoch == (save_epoch - 1):
            torch.save({
                'epoch': epoch + 1,
                'state_dict': model.state_dict(),
                'opt_dict': optimizer.state_dict(),
            }, os.path.join(save_dir, 'models', saveName + '_epoch-' + str(epoch) + '.pth.tar'))
            print("Save model at {}\n".format(os.path.join(save_dir, 'models', saveName + '_epoch-' + str(epoch) + '.pth.tar')))

每隔 save_epoch保存一次模型，模型保存了当前的epoch，权重state_dict以及优化器参数opt_dict

tensorboard 查看训练效果

pytorch tensorbard

安装tensorboardX包

pip install tensorboardX

导入

from tensorboardX import SummaryWriter

创建writer对象，并指定logdir路径

log_dir = 'logdir_path_to_define'  # path to define
writer = SummaryWriter(log_dir=log_dir)

将数据写入tensorboard
比如保存训练和验证过程中的，各个epoch对应的 acc和loss

 if phase == 'train':
     writer.add_scalar('data/train_loss_epoch', epoch_loss, epoch)
     writer.add_scalar('data/train_acc_epoch', epoch_acc, epoch)
 else:
     writer.add_scalar('data/val_loss_epoch', epoch_loss, epoch)
     writer.add_scalar('data/val_acc_epoch', epoch_acc, epoch)

训练完成后，终端利用tensorboard查看结果

tensorboard --logdir='logdir_path_to_define'   --host=localhost

这里的路径与SummaryWriter初始化,设置的logdir路经一样

基于C3D网络的视频分析与动作识别
可以设置更大的epoch，提升训练效果

识别效果
基于C3D网络的视频分析与动作识别
成功识别正在涂抹眼妆这个动作。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-402627.html

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