项目解读_v2

1. 项目介绍

1. 如果使用task2-1作为示例时，　运行process.py的过程中需要确认 process调用的是函数 preprocess_ast_wav2vec(wav, fr)

1.1 任务简介

首个开源的儿科呼吸音数据集， 通过邀请11位医师标注；

数字听诊器的采样频率和量化分辨率分别为8 kHz和16位。

儿童参与者的呼吸音弱于成人呼吸音。此外，在胸前采集时，呼吸音受心音的影响很大。因此，呼吸声音是在四个背面位置获取的，包括左后部、左外侧、右后部和右侧（图 4）。每个位置的收集持续时间持续超过 9 秒，以确保至少两个呼吸周期。

292位参与测试者，共8.2个小时。

• 总共2683个录音文件record level, 被标记出了9089个呼吸音event level；　　（对比icbhi2017是920个录音文件）

• 录音文件被标记为　事件级别 event level 用于 task 1 任务， 和　record level, 用于task2 任务；

任务总共包含两大类，分别如下

# Important Assumption (used in model/metric.py)
# Normal is always index 0
# PQ, if exists, is index 1

def resp_classes(task, level):
    assert task in (1,2), 'Task has to be either 1 or 2.'
    assert level in (1,2), 'Level has to be either 1 or 2.'
    if task==1:
        if level==1:
            CLASSES = ('Normal', 'Adventitious')  # 2 class
        elif level==2:          # 7 class
            CLASSES = ('Normal', 'Rhonchi', 'Wheeze', 'Stridor', 'Coarse Crackle', 'Fine Crackle', 'Wheeze & Crackle') 
    elif task==2:
        if level==1:   # 3 class;
            CLASSES = ('Normal', 'Poor Quality', 'Adventitious')
        elif level==2:    # 5 class;
            CLASSES = ('Normal', 'Poor Quality', 'CAS', 'DAS', 'CAS & DAS')
    return CLASSES

５

两类任务上的平均时间，　The mean duration of respiratory sound events and records are 1.3s and 11s, respectively.

对于任务1，事件级别的音频, 　在训练集中总共 6656份音频；

task1-1:　二分类任务： normal: 5159, Adventitious: 1497; 对异常类中的样本，随机扩充，　扩充到和正常样本数目相同；

task1-2: 　七分类任务：the number of Normal, Rhonchi,Wheeze, Stridor, Coarse Crackle, Fine Crackle, and Wheeze & Crackle are 6,887, 53, 865, 17, 66, 1,167, and 34, respectively.

对于任务2， 录音级别的音频, 　在训练集中总共1949 份音频；

task2-1:　3分类任务： normal: 1303, Adventitious:469 ‘Poor Quality’: 177 '对异常类中的样本，随机扩充，　扩充到和正常样本数目相同；

task2-2: 5 分类任务：

normal: 1303, ‘Poor Quality’: 177 ， CAS,126, DAS: 248; CAS&DAS：95

icbhi 数据集０

task1， 事件级别的分类, event level ：

训练集： 6656份音频事件

测试集： 对应了2433份音频事件;

task2，录音级别的分类， record level,

训练集： 包含1949录音， （注意， 后续通过筛选 task2, 减少为1772 份录音；）

测试集： 734份录音，

1.2 数据预处理

preprocess.py 数据预处理， 　详细的分析过程参考第9节；

其中，根据task_config.json 中的配置 data_loader, input_dir 选项中的是　task1 对应processed_wav2vec or 　task2 对应processed_ast_wav2vec，

根据上述不同的任务， preprocess() 函数将调用 不同的预处理函数，　 processed_wav2vec() or processed_ast_wav2vec()，

1.3 Dataset 数据集的创建

创建Dataset的子类，用于创建数据集；

在__getitem() 中，生成　训练样本　以及该样本的标签 label;

注意，这里的训练样本，即可以是原始的音频数据；

又可以是，经过处理后的特征，使用该特征直接进行输入到网络中进行训练。

并且在　__getitem__() 使用数据增强，　可以使得每一个 batch 都采用不同的数据增强的方式；

# location,   data/SPRSound/Dataset.py
from torch.utils.data import Dataset 
# RespDataLoader 中调用当前类 RespDataset();

class RespDataset(Dataset):
    def __init__(self, data_dir, task, input_dir=None):
        assert task in (1,2)
        self.task = task
        task_file_name = 'task1.csv' if task==1 else 'task2_filtered.csv'
        # task_file_name = f'task{task}.csv'
        self.csv = pd.read_csv(join(data_dir, task_file_name))
        self.input_dir = input_dir
        if input_dir is None:       # note, 这里使用的原始划分的音频文件；
            if task == 1:       # 若果没有指定 input dir 用于训练的音频文件， 则 clip 中存放的是task1 的事件级别的检测任务；
                self.dir = join(data_dir, 'clip')
            else:           # 如果， task2, 使用wav 文件，其中存放的是record 记录级别的事件；
                self.dir = join(data_dir, 'wav')
        else:       # note , 这里是自定义 的文件夹；
            self.dir = join(data_dir, input_dir)

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

    def __getitem__(self, index):   #  这里获取的是音频， 和对应的label;
        entry = self.csv.iloc[index]
        wav_name = entry['wav_name']
        target = (entry[f'label_{self.task}1'], entry[f'label_{self.task}2'])
        if self.input_dir is None:
            wav, _ = torchaudio.load(join(self.dir, wav_name))
        else:
            wav = torch.load(join(self.dir, wav_name), map_location='cpu')
            # # normalize
            # wav = (wav-37.3)/(2.3*2)
        return wav, target
        
  
    

1.4 项目流程

train.py(): 是整个项目的执行过程的载体；

依次的顺序是，

1. 实例化　训练集和验证集；
2. 模型实例化：
3. 损失函数和评价指标的设定；
4. 可学习参数，　优化器以及学习率参数配置；
5. 实例化训练类，
6. 调度训练类中的trian函数， 开始训练；

2. DataLoader加载器的实例化

训练集加载器 train_loader 和验证集加载器 valid_dataLoader　分别通过调用， 以下函数进行实现；

data_loader = config.init_obj('data_loader', module_data)
valid_data_loader =  data_loader.split_validation()

##　2.0 三个类之间的继承关系；

RespDataLoader(BaseDataLoader) 继承自 BaseDataLoader(DataLoader),

BaseDataLoader(DataLoader) 继承自pytorch 中DataLoader()，

2.1 class BaseDataLoader()

note: 　后面的子类RespDataLoader()，在使用 super().__init__()函数时，将会重新对当前父类BaseDataLoader()进行初始化, 注意， 在传入super().__init__() 中的参数时， 传入了自定义的collate_fn() 函数

# location:  base/base_data_loader.py
from torch.utils.data import DataLoader

 # 根据 RespDataLoader 中传来的 dataset, 完成训练集 和测试集的划分；
class BaseDataLoader(DataLoader): 
	def __init__(self, dataset, bt, shuffle, validation_split, num_workers, collate_fn= default_collate)
    初始化，训练集测试集的分配比率；
    
    # 分别获取训练集，　验证集的下标索引；
    self.sampler, self.valid_sampler =  self._split_sampler(self.validation_split)
    
    # 注意到，这里的初始化参数通过子类RespDataLoader中， 重新传入参数赋值进来, 尤其关注到 collate_fn
    # 被重新赋值；
    self.init_kwargs = {
        'dataset': dataset,
        'batch_size':bt,
        'shuffle':shuffle,
        'collate_fn':collate_fn,
        'num_workers':num_workers,
    }
    
    def _split_sampler(self, split)：
        # 将整体数据集，重新划分为训练集和测试集， 
        # 获取各自训练和验证集上，所对应的下标索引；
       
   def  split_validation(self):
       # 　用于获取验证集的数据，通过 属性，下标索引，　
       #  　传入　DataLoader() 
    　　return DataLoader(sampler = self.valid_sampler,  **self.init_kwargs)
	

2.2 class RespDataLoader()

# location: data_loader/data_loaders.py

def resp_classes(task, level):
    根据当前任务， 
    返回当前任务上每个类别所对应的标签；


from data.SPRSound import Datasets

class RespDataLoader(BaseDataLoader)：
      def __init__(self, ...):
          初始化，当前任务上的类别标签属性；
          dataset = Datasets.RespDataset(data_dir, task= task, input_dir=input_dir)
          # 使用当前类中的属性重新初始化父类BaseDataLoader ， 对父类中的 __init__() 函数重新初始化；
          super().__init__(dataset, bt, shuffle, validation_split, num_workers, collate_fn=self.collate_fn)
      
    
       def  collate_fn(self, batch):
           tensors, targets = [], []
           获取一个batch 中的 tensor,  以及对应的label;
          # 此处，需要搞清楚，这里的 tensor 到底对应的 特征级别的 tensor, 用于后续直接输入到网络模型中；
          # 还是这里tensor 依然代表的是音频数据的 tensor; 
           return  tensors, targets
                  

2.3 train_dataLoader的实例化:

data_loader = config.init_ob(data_loader, module_data), 其中 参数配置中的data_loader是指，Json 配置文件中，指定的类 RespDataLoader， 通过将该类实例化为对象的过程中， 逐个在 重新初始化其父类， 最终将pytorch中的 DataLoader() 该基类重新初始化， 流程如下：

• data_loader = config.init_ob(data_loader, module_data)

• —>RespDataLoader(BaseDataLoader), 调用两个函数:

1. 获取当前任务的整体数据集，dataset = Datasets.RespDataset() ；
2. 通过重新初始化其父类，获得训练集和测试集的样本下标索引；　具体讲来，其中的 super().__init__(dataset, bt, shuffle, validation_split, num_workers, collate_fn= self.collate_fn)通过传入参数，重新初始化其父类BaseDataLoader() ，下面进入父类中进行初始化，

• —-> BaseDataLoader(DataLoader), 初始化的过程中，分两步走：

1. self.sampler, self.valid_sampler = self._split_sampler(self.validation_split) 分别生成训练集，和测试集的下标索引。

2. 重新初始化所对应的父类DataLoader()， 通过传入 super().__init__(sampler= self.sampler, **self.init_kwargs)其中**self.init_kwargs包含了上一个子类传入的自定义 collate_fn方法；

3. 上一步中的，将训练集的下标索引, self.sampler, 和 collate_fn函数传入到了DataLoader()中， 从而获取了训练集；

经过 DataLoader() 该函数中，存在 collate_fn 函数

批处理函数 collate_fn

批处理函数 collate_fn 负责对每一个采样出的 batch 中的样本进行处理。默认的 collate_fn 会进行如下操作：

• 添加一个新维度作为 batch 维；
• 自动地将 NumPy 数组和 Python 数值转换为 PyTorch 张量；
• 保留原始的数据结构，例如输入是字典的话，它会输出一个包含同样键 (key) 的字典，但是将值 (value) 替换为 batched 张量（如何可以转换的话）。

例如，如果样本是包含 3 通道的图像和一个整数型类别标签，即 (image, class_index)，那么默认的 collate_fn 会将这样的一个元组列表转换为一个包含 batched 图像张量和 batched 类别标签张量的元组。

我们也可以传入手工编写的 collate_fn 函数以对数据进行自定义处理，例如前面我们介绍过的 padding 操作。

参考阅读：https://transformers.run/intro/2021-12-14-transformers-note-3/#dataloaders

2.4 valid_dataLoader的实例化：

valid_data_loader =  data_loader.split_validation()

调用 BaseDataLoader()中的 BaseDataLoader().split_validation()函数，

该函数内部，传入了测试集的下标索引， 并且同样传入了 collate_fn()函数，通过　**self.init_kwargs函数；

然后通过调用 pytorch 中的 DataLoader() 获取数据集, DataLoader(sampler = self.valid_sampler, **self.init_kwargs),

3. 载入模型

model = config.init_obj('arch', module_arch)

通过关键字arch 获取Json　配置文件中的模型架构名称,

1. 以及在当前任务上属于几分类问题，

2. 该模型输入的 shape 形状；

之后，通过　getattr(module, module_name)(*args, **module_args) 　进入当前调用的模型的初始化函数中去，

class  ASTModel(nn.Module)
       def __init__():
        # 完成该模型的初始化；

3.1 light cnn

3.2 预训练的 ResNet18,

3.3 预训练的AST Model

预训练的　Audio Spectrogram Transformer 模型，

AST 在 AudioSet 上的音频分类任务上已经证明了它在 10 个 YouTube 视频片段中的音频类数据集 [23]。

该项目中，期望 AST 比基于图像的分类器，可以学习到用于音频分类的更好的呼吸音特征。

4. 损失函数与评价指标的设定

设置当前任务上的损失函数和评价指标，同样是通过Json 文件中去设置的；

    "loss": {
        "type": "cross_entropy",
        "args": {
            "weight": [0.2, 0.5, 0.3]
        }
    },
    "metrics": [
        "accuracy", "specificity", "sensitivity_task2", "score_task2"
    ],
# 评价指标，包含4个方面， 精度， 特异度，  敏感度， 分数；

criterion = config.init_ftn('loss',  module_loss,  device=device)
metric =  [getattr(module_metric, met)  for met in config['metrics']]

5. 优化器以及学习率的配置

确认可学习参数，　　构建优化器，　学习率；

trainable_params = filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters() )

# optimizer 中配置好，　优化器，学习率，可学习参数等信息；
optimizer = config.init_obj('optimizer', torch.optim,  trainable_params)
lr_scheduler = config.init_obj('lr_scheduler', torch.optim.lr_sheduler, optimizer)

同样，通过调用config_中的参数，　取出其中 优化器以及学习率对应的参数信息；

    "optimizer": {
        "type": "Adam",
        "args":{
            "lr": 0.0001,
            "weight_decay": 0,
            "amsgrad": true
        }
    },
    
        "lr_scheduler": {
        "type": "StepLR",
        "args": {
            "step_size": 50,
            "gamma": 0.1
        }
    },

6. 实例化训练类

训练类的继承关系,

Trainer()继承自父类BaseTrainer(), 　而 BaseTrainer() 则是最初的基类；

• trainer = Trainer(): 实例化训练类，通过实例化， 该类 Trainer(),

  trainer = Trainer(传入模型，损失函数， 优化器， 训练集和测试集)

# 实例化，训练类；
trainer = Trainer(model, criterion, metrics, optimizer,
 				   config = config,  device = device,
 				   data_loader=data_loader, 
 				   valid_data_loader=valid_data_loader,
 				   lr_scheduler=lr_scheduler )
 				

6.1 class BaseTrainer()

# current location: base/base_trainer.py

from  logger import  TensorboardWriter

class BaseTrainer:
    def __init__():
        初始以下各类属性， 模型， 损失函数，  评价指标；
        优化器， epoch 数目； 
        监视器，用于监控模型的性能，保存住最佳模型，通过 min , val loss 来判断最佳；
        可视化实例；
    
    def _train_epoch():
       由子类， 重写进行覆盖； 由下面的 train() 函数调用
    
    def train():
        train该函数， 在实例化子类Trainer()后，被调用，
        作为训练函数的调用接口函数;
        
        并且其自身，调用上面的 _train_epoch()函数；
        
        监听模型性能：　根据指标的变化， 保存当前模型的权重文件；
     
    	调用下面的_save_checkpoiont()保存当前模型的训练过程；
    
    def _save_checkpoint():
        保存模型的训练信息，
        包含模型的参数权重， 状态字典； 当前epoch 数目， 优化器参数；
    
    
    def _resume_checkpoint()；
       从保存的训练信息中， 加载模型，继续训练；
        
    

6.2 class Trainer()

Trainer()继承自父类BaseTrainer()

# current location:  trainer/trainer.py

from base import BaseTrainer 

class Trainer(BaseTrainer):
    def __init__():  
        该初始化函数中， 
        设置属性，用来　传入训练集， 验证集；　模型；
        传入当前任务上的评价指标；
        # 传入参数，　重新初始化其父类 BaseTrainer　中的初始化函数；
    	super().__init__(model, criterion, metric_ftns, optimizer, config)　　
    
    
    def _train_epoch(): 该函数，重写了父类中 _trian_epoch()中的方法；
        是网络训练的主体部分， 整个训练过程，在这个函数中体现出来；
        并将当前epoch  上训练得到的，结果保存在log 中；
        
        for bt_idx, (data, target) in enumerate(self.data_loader):
            ...
        
        
    def _valid_epoch()；
        用于每个epoch 训练结束时， 在_train_epoch() 函数中被调用，得到当前epoch 上的验证精度；
    
    def _progress():
        当前epoch 时， 每个batch 达到 self.log_step() 进行打印输出信息， 在_train_epoch() 函数中被调用；
    
    def _createConfusionMatrix():
        构建了混淆矩阵，  并且以热力图的形式保存，
        当前未找到，调用关系；
    
        

6.3 训练流程

训练过程, 下面的第７节，对训练过程进行展开。

trainer.train()

由于 Trainer(BaseTrainer) Trainer 继承自BaseTrainer, 所以 trainer.train() 其中的 train() 函数是来自于父类中的函数；

所以 trainer.train() 其实调用的是BaseTrainer.train() 中的 train() 函数；

调用流程：

1. trainer. train() –> BaseTrainer.train()

2. BaseTrainer.train() 该train() 函数中调用 –> self._train_epoch() , 该函数在子类 Trainer() 中重写，并实现；

3. _train_epoch() 中调用 —> self.data_loader (), 而 data_loader 中每个batch 的数据加载流程 ,

7 . 训练过程

7.1 训练过程总览

训练过程，按照如下步骤进行分析：

1. 训练过程中，　数据获取的流程
2. 将优化器中的参数对应的梯度重新置零；
3. 数据输入到模型中进行推理，　得到预测值；
4. ​ 将预测值和　标签输入到损失函数中，算出loss;
5. 将损失开始反向传播，
6. 更新优化器中的梯度
7. 更新自定义的评价指标的中的性能参数；
8. 将以上训练中性能信息　记录到 tensorboard　以及 logger 中；
9. 当前一个 epoch 训练完成后，　开始在验证集上，进行一次验证，调用验证函数；
10. 打印信息，保存权重；

self.data_loader 每次取一个batch 的数据时候调用，最终会调用到 RespDataLoader().collate_fn() 类中的自定义函数，

该函数用于将取出的音频文件，以及对应的标签，打包成一个 batch 的张量数据进行返回。

训练集和测试集data_loder, valid_data_loader 都是来自于同一个类(RespDataLoader)的实例化对象， 故这里只以分析 data_loader为例子，

for idx, (data, target) in enumerate(self.data_loader):
    data, target =  data.to(self.device),  target.to(self.device),
    

取出数据的过程，　首先执行了便是　DataLoader() 中的　__iter__() 魔法函数；

然后，依次调用函数，　一直到调用到 Dataset() 子类中的　　__getitem__() 方法，取出数据；

# 　当对 data_loader  使用 enumerate() 函数时，
# 1. 将自动调用 DataLoader 类中的　迭代器函数　__iter__(self), 
#　该函数返回的是一个可迭代对象；

# We quote '_BaseDataLoaderIter' since it isn't defined yet and the definition can't be moved up
# since '_BaseDataLoaderIter' references 'DataLoader'.
def __iter__(self) -> '_BaseDataLoaderIter':
    # When using a single worker the returned iterator should be
    # created everytime to avoid reseting its state
    # However, in the case of a multiple workers iterator
    # the iterator is only created once in the lifetime of the
    # DataLoader object so that workers can be reused
    if self.persistent_workers and self.num_workers > 0:
        if self._iterator is None:
            self._iterator = self._get_iterator()
            else:
                self._iterator._reset(self)
                return self._iterator
            else:
                return self._get_iterator()

self._get_iterator() :　根据是否使用多进程，选择调用　单进程数据加载器，　还是选择多进程数据加载器；

    def _get_iterator(self) -> '_BaseDataLoaderIter':
        if self.num_workers == 0:
            return _SingleProcessDataLoaderIter(self)
        else:
            self.check_worker_number_rationality()
            return _MultiProcessingDataLoaderIter(self)

7.2 训练中- 获取数据的流程：

data_loader 训练集是 RespDataLoader的一个实例化对象， 通过先后继承父类 BaseDataLoader(), DataLoader()

当每次从 self.data_loader 中取出一个batch 的数据时， 发生了如下调用事件，

1. 调用　–> 私有类中的魔法函数　_BaseDataLoaderIter(object).__next__():　该函数中继续调用

   – > self._next_data()

上述的意思即，在该__next__() 魔法函数中调用了　self._next_data(),

_BaseDataLoaderIter(object)自身类中，该 _next_data()私有方法没有实现，

而是 在其子类_SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter)._next_data()中实现了, 　故调用其子类中的该方法。

故这里的实际调用关系是：

—>　_BaseDataLoaderIter(object).__next__():

––> 私有单线程类中的方法　_SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter)._next_data()

# location: 　`torch.utils.data.dataloader.py`中，

class _SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter):
    def __init__(self, loader):
        super(_SingleProcessDataLoaderIter, self).__init__(loader)
        assert self._timeout == 0
        assert self._num_workers == 0

        self._dataset_fetcher = _DatasetKind.create_fetcher(
            self._dataset_kind, self._dataset, self._auto_collation, self._collate_fn, self._drop_last)

    def _next_data(self):
        index = self._next_index()  # may raise StopIteration
        data = self._dataset_fetcher.fetch(index)  # may raise StopIteration
        if self._pin_memory:
            data = _utils.pin_memory.pin_memory(data)
        return data

2. 1　而 _SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter)._next_data() 该方法在实现过程中调用 如下函数：

   —> self._next_index(), 当前子类中并没有实现，通过继承使用父类(_BaseDataLoaderIter) 中的该方法,

   而该父类中 self._next_index()方法　则继续调用如下方法，

   ​ –>　return next(self._sampler_iter)，继续调用

   –>　 torch.utils.data.sampler.py中类 BatchSampler.__iter__()，　该函数实现了取出一个 batch 批次的数据，所对应的下标索引。

   2.2 　在 self._next_index(), 　调用完成之后，获取了一个batch 数据的下标索引，

   ​ 则继续调用 self._dataset_fetcher.fetch(index),

   —-> 该函数的实现则是调用了　_MapDatasetFetcher(_BaseDatasetFetcher).fetch()方法

   # location: torch.utils.data._utils.fetch.py 中
   
   class _MapDatasetFetcher(_BaseDatasetFetcher):
       def __init__(self, dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last):
           super(_MapDatasetFetcher, self).__init__(dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last)
   
       def fetch(self, possibly_batched_index):
           if self.auto_collation:  
               # 注意到，　这里通过self.dataset 该属性，获取了该下标所对应的数据；
               data = [self.dataset[idx] for idx in possibly_batched_index]
           else:
               data = self.dataset[possibly_batched_index]
           return self.collate_fn(data)
   
   

   注意上面的 fetch() 该方法通过 self.dataset 属性，　找到当前下标所对应的数据，

   通过 index 获取 data,发生如下的调用关系事件：

   ​ —> fetch(index) –>data = self.dataset[index]

   —> 　 此时，会返回到 Dataset().__getitem__(),

   而该__getitem() 方法，通常是由在子类中实现，这里是 RespDataset(Dataset),

   至此，　通过当前下标索引index， 获取data, 　注意的这里的data, 　指的是在数据集上，所对应的音频数据以及标签；

   这里需要通过数据预处理部分，process.py来确认，到底特征级别还是音频级别

   注意，这里获取的音频文件，　如果是自定义的方式，生成的 self.input_dir, 　这里的音频可能便是特征级别的数据；

   比如输入的 input_dir= processed_ast_wav2vec ，　则是自定义的音频数据，则代表的是特征，这里此时 wav= (768, 128),

class RespDataset(Dataset):
    def __init__():
        读入当前任务task 所对应的 .csv 文件，csv 文件，包含了音频以及对应的标签信息；
        读入音频文件，  根据传入的音频文件夹的位置；
    
    def __len__():
        返回csv 文件的长度，即当前任务上音频的总个数， 包括训练集和验证集；

    def __getitem__(self, index):   #  这里获取的是音频， 和对应的label;
        entry = self.csv.iloc[index]
        wav_name = entry['wav_name']
        target = (entry[f'label_{self.task}1'], entry[f'label_{self.task}2'])
        if self.input_dir is None:
            wav, _ = torchaudio.load(join(self.dir, wav_name))
        else:
            wav = torch.load(join(self.dir, wav_name), map_location='cpu')
            # # normalize
            # wav = (wav-37.3)/(2.3*2)
        return wav, target
       

2.3 在执行完，　 data = self.dataset(index)　–>self.dataset.__getitem(index) 后，

则继续执行类　_MapDatasetFetcher(_BaseDatasetFetcher)　中的最后一个方法， return self.collate_fn(data);

7.3 collate_fn()的传递过程

2.4 而collate_fn()　该函数经历怎样的传递过程呢？　首先该方法在 RespDataLoader(BaseDataLoader).collate_fn()　中定义的，

在DataLoader 中调用 __iter()后， 继续调用自身类中的私有函数_get_iterator()　函数，该函数中继续调用到_SingleProcessDataLoaderIter()

之后collate_fn()，便在以下的各个类中进行传递　：

_SingleProcessDataLoaderIter() —> _DatasetKind —> _MapDatasetFetcher；

​ 终于，来到了最初在　RespDataLoader().collate_fn() 　中设置的方法，　该方法的作用，是将获取的数据和标签打包成一个 batch 的数据，

然后进行返回, 　返回的过程便是一个弹栈的过程：

先返回到　–> _SingleProcessDataLoaderIter()._next_data() 中　data= self._dataset_fetcher.fetch(index) ;

​ –> _BaseDataLoaderIter.__next__() 该魔法函数中的的　data = self._next_data()

​ —> 　回到训练过程中的　 for batch_idx, (data, target) in enumerate(self.data_loader):

至此，训练过程中，　训练集数据的提取过程分析完毕；

class RespDataLoader(BaseDataLoader):

    def __init__(self, data_dir, batch_size, shuffle=True, validation_split=0.0, num_workers=1, training=True, task=1, level=1, input_dir='processed'):
        self.CLASSES = resp_classes(task, level)
        self.CLASS2INT = {label:i for (i, label) in enumerate(self.CLASSES)}
        self.LEVEL = level
        # note,  dataset 获取训练集和 测试集；
        dataset = Datasets.RespDataset(data_dir, task=task, input_dir=input_dir)
        super().__init__(dataset, batch_size, shuffle, validation_split, num_workers, collate_fn=self.collate_fn)
    # 这里根据预处理，获取用于输入的 训练样本 和 标签；
    def collate_fn(self, batch):
        tensors, targets = [], []

        # Gather in lists, and encode labels as indices
        for wave, label in batch:
            label = label[self.LEVEL-1]  # 根据级别，获取当前的label 标签；
            tensors += [wave]
            targets += [torch.LongTensor([self.CLASS2INT[label]])]
        # Group the list of tensors into a batched tensor
        tensors = torch.stack(tensors)
        targets = torch.stack(targets)
        targets.squeeze_(1)
        return tensors, targets

训练过程中， 每次从训练集（self.data_loader）或者验证集(self.valid_data_loader)中

取出一个batch 的数据时，会执行 RespDataLoader().collate_fn() 函数， 用于返回一个batch 的数据。

8. DataLoader与_BaseDataLoaderIter()

当创建一个 DataLoader()　实例化对象的时候，　实际是在通过 _BaseDataLoaderIter　来迭代数据集，

这样的设计方式，是为了将数据集　和　迭代数据的过程进行分离，

DataLoader()：　用于管理　dataset, 兵准备好　迭代数据之前所需要的设置；

_BaseDataLoaderIter：　则是执行，实际的迭代过程，　包括了从线程中获取数据；

这种将　数据集本身　与迭代数据过程的方法　进行分离的方式，

可以通过继承类_BaseDataLoaderIter方式，　自定义一个子类，在该子类中重写　数据迭代的方式，从而更多的控制数据迭代的过程。

8.1 DataLoader

当在 DataLoader()　调用其中的魔法函数　__iter() 时，　该魔法函数返回的实际上是一个一个_BaseDataLoaderIter，

    # We quote '_BaseDataLoaderIter' since it isn't defined yet and the definition can't be moved up
    # since '_BaseDataLoaderIter' references 'DataLoader'.
    def __iter__(self) -> '_BaseDataLoaderIter':
        # When using a single worker the returned iterator should be
        # created everytime to avoid reseting its state
        # However, in the case of a multiple workers iterator
        # the iterator is only created once in the lifetime of the
        # DataLoader object so that workers can be reused
        if self.persistent_workers and self.num_workers > 0:
            if self._iterator is None:
                self._iterator = self._get_iterator()
            else:
                self._iterator._reset(self)
            return self._iterator
        else:
            return self._get_iterator()

__iter() 　继续调用自身类中的私有函数　_get_iterator()　函数，　可以看到，此时根据是否启用多线程，

将会返回不同的线程迭代数据集的方式，　num_worker==0, 则使用（单进程）主进程完成数据的迭代，

而无论是　单进程_SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter)　还是多进程，他们都是继承的同一个父类_BaseDataLoaderIter，

    def _get_iterator(self) -> '_BaseDataLoaderIter':
        if self.num_workers == 0:
            return _SingleProcessDataLoaderIter(self)
        else:
            self.check_worker_number_rationality()
            return _MultiProcessingDataLoaderIter(self)

8.2 _BaseDataLoaderIter

可以看到，这两个类都是继承自_BaseDataLoaderIter，

_SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter)
_MultiProcessingDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter)

8.3 _SingleProcessDataLoaderIter()

# location:  torch.utils.data.dataloader.py

class _SingleProcessDataLoaderIter(_BaseDataLoaderIter):
    def __init__(self, loader):
        super(_SingleProcessDataLoaderIter, self).__init__(loader)
        assert self._timeout == 0
        assert self._num_workers == 0

        self._dataset_fetcher = _DatasetKind.create_fetcher(
            self._dataset_kind, self._dataset, self._auto_collation, self._collate_fn, self._drop_last)

    def _next_data(self):
        index = self._next_index()  # may raise StopIteration
        data = self._dataset_fetcher.fetch(index)  # may raise StopIteration
        if self._pin_memory:
            data = _utils.pin_memory.pin_memory(data)
        return data

可以看到，在执行 data = self._dataset_fetcher.fetch(index) 　过程中，调用了私有类_DatasetKind中的 create_fetcher方法；

# location:  torch.utils.data.dataloader.py
class _DatasetKind(object):
    Map = 0
    Iterable = 1

    @staticmethod
    def create_fetcher(kind, dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last):
        if kind == _DatasetKind.Map:
            return _utils.fetch._MapDatasetFetcher(dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last)
        else:
            return _utils.fetch._IterableDatasetFetcher(dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last)

create_fetcher方法中，则继续调用私有类，　_MapDatasetFetcher()

#location: torch.utils.data._utils.fetch.py

class _MapDatasetFetcher(_BaseDatasetFetcher):
    def __init__(self, dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last):
        super(_MapDatasetFetcher, self).__init__(dataset, auto_collation, collate_fn, drop_last)

    def fetch(self, possibly_batched_index):
        if self.auto_collation:
            data = [self.dataset[idx] for idx in possibly_batched_index]
        else:
            data = self.dataset[possibly_batched_index]
        return self.collate_fn(data)

可以，看到从_SingleProcessDataLoaderIter()　开始，

collate_fn 该方法就一直被传递过来，中间在以下的各个类中进行传递如下过程　：

_SingleProcessDataLoaderIter() —> _DatasetKind —> _MapDatasetFetcher；

9. 数据预处理

数据预处理，其实是整个项目的最开始，由于篇幅会较多，故放在这里分析；

task1， 事件级别的分类, event level ：

训练集： 6656份音频事件

测试集： 对应了2433份音频事件;

task2，录音级别的分类， record level,

训练集： 包含1949录音， （注意， 后续通过筛选 task2, 减少为1772 份录音；）

测试集： 734份录音，

需要注意的是，　在不同的预处理函数中，　对于不同音频长度的音频，　并没有统一到相同的音频长度；

都是经过相同的函数，然后通过reshape的方式，　使得所有的特征形状相同。

preprocess.py 数据预处理， 用于将　clip 事件级别的6656份音频事件, 与　wav 录音级别的包含1949录音,

即 事件级别的6656份音频事件　+ 录音级别的包含1949录音　＝　8605　份音频；

都是是将将训练集上　事件级别音频+ 录音级别音频；

经过预处理函数之后(调用不同的 9.1-9.5 预处理函数)，存放在同一个文件夹下面 preprocessed_file。

之后，在task_config.json 中的配置 data_loader时候， 选项中的 input_dir是便是上述生成的preprocessed_file文件。

if __name__ == '__main__':
    REC_DIR = "wav"
    CLIP_DIR = "clip"
    # PROC_DIR = "processed_wav2vec"
    PROC_DIR = "processed_ast"

    if not exists(PROC_DIR):
        makedirs(PROC_DIR)

    for dir in (REC_DIR, CLIP_DIR):
        print(f" \n Processing waves in {dir}/ folder")
        for wav_name in tqdm(listdir(dir)):
            wav, fr = load(join(dir, wav_name))
            # 如果，输入到预处理函数中，不需要经过AST model，　则需要将下行注释，用于将tensor 转化成 numpy；
            wav = wav.squeeze().cpu().detach().numpy()
            processed = preprocess(wav,fr)
            torch.save(processed, join(PROC_DIR, wav_name))

tips:

1. 如果使用task2-1作为示例时，　运行process.py的过程中需要确认 process调用的是函数 preprocess_ast_wav2vec(wav, fr)

   根据上述不同的任务， preprocess() 函数将调用 不同的预处理函数，　 processed_wav2vec() or processed_ast_wav2vec()， 或者是下面五中不同的预处理函数中的其中一个；

9.1 preprocess_stft

for task 1-1：

processed_ast_wav2vec　预处理函数，

提取出的特征向量表示维度为　(1, 224, 224)，

经过 collate_fn 之后，　输出(bt, 1, 224, 224),

输入到 light cnn 中；

9.2 preprocess_wavelet

processed_ast_wav2vec　预处理函数，

提取出的特征向量表示维度为　(3, 224, 224)，

经过 collate_fn 之后，　输出(bt, 3, 224, 224),

9.3 preprocess_ast

processed_ast预处理函数,

提取出的特征向量表示维度为(256, 128) , 通过reshape 将帧数统一到相同长度. 128 代表n_filters 的个数；

经过 collate_fn 之后，　输出(bt, 256, 128),

9.4 processed_ast_wav2vec

wav2vec2，是一个在960小时音频上面训练好的，语音编码表示向量；试验中，使用AST Model 的预训练权重，

输入音频后，提取AST网络模型中最后一层的输出，来代表这一份音频的编码向量；

processed_ast_wav2vec　预处理函数，

提取出的特征向量表示维度为( 768, 128)

经过 collate_fn()之后，　输出( BT , 768, 128)；

之后，输入到 AST Model　中；

9.5 processed_wav2vec

for task 1-1：

当使用：processed_wav2vec　预处理函数，

提取出的特征向量表示维度为　(1, 224, 224)，

此时 ，原始的 Dataset() .getitem() 取出的便是该项。

经过 collate_fn 之后，　输出(bt, 1, 224, 224),

输入到 light cnn 中；

注意在config_task 中，　需要根据 arch` 中的配置参数，比如其中的

arch: 参数文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-716667.html

    "arch": {
        "type": "ASTModel",　# 　规定了网络模型架构；
        "args": {
            "label_dim":3,    # 　输出的几分类；
            "input_fdim":128,　　# 　规定了网络模型　输入的尺寸；
            "input_tdim":768,
            "audioset_pretrain": true
           
        }
    },
    "data_loader": {
        "type": "RespDataLoader",　　# 规定了数据加载器；
        "args":{
            "data_dir": "data/SPRSound/",
            "batch_size": 16,
            "shuffle": true,
            "validation_split": 0.2,
            "num_workers": 2,
            "task":2,
            "level":1,
            "input_dir":"processed_ast_wav2vec"
        }
    },

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