机器人学实验课的考核是，利用机械臂做一下拓展应用，所以花了很多时间来设计了这个神经网络

因为这个神经网络的思路比较新颖，而且尝试了一些防止过拟合、性能优化的手段，所以决定记录一下

Table of Contents

模型性能

time	FPS	FLOTs	Params (float16)
4.195 ms	238	9,186,336	19.336 KB

训练过程截图：展示平均损失、分类精度、分类准确率

卷积层

引入空间金字塔池化 SPPF，增强了神经网络对多尺度信息的感知能力

对 YOLOv5 中的 Bottleneck 进行修改：参数量减少到原来的 55%

末端的 1×1 卷积用于将特征进行排序，使其对左右手手势的增益信息在通道维度上对称

全连接层

为了防止左右手势识别结果的互相干扰，在使用卷积层提取出图像特征之后，在水平方向上进行分离：左半图特征、右半图特征

欲将两者利用同一个全连接层进行处理，需保证两者的特征分布有相同的形式：

左半图特征在翻转通道后，在通道上与右半图特征有相同的分布形式
右半图特征在水平翻转后，在水平上与左半图特征有相同的分布形式

全连接层的权值共享，使得全连接层的训练量翻倍，也减少了网络模型参数量

左右手的手势分别有：none（无）、close（闭合）、in（向中间）、out（向两侧）、rise（向上）、drop（向下）

神经网络的声明如下，涉及到的网络单元见这篇文章：YOLOv5-6.0 源码解析 —— 卷积神经单元

class Model(nn.Module):

    def __init__(self, shrink=6, e=0.75, hidden=[36, 18]):
        super(Model, self).__init__()

        # head: CBS, CBS, SPPF
        c1, c2, c_ = 3, 6, 8
        self.head = nn.Sequential(
            Conv(c1, c2, k=3, s=2),
            Conv(c2, c_, k=3, s=2),
            SPPF(c_, c2)
        )
        c1 = c2

        # bone: 4×(Bottleneck + MaxPool), CBS
        self.bone = []
        for _ in range(shrink - 2):
            conv = Bottleneck(c1, c2, e=e)
            step = nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
            self.bone += [conv, step]
        self.bone.append(Conv(c1, c2, k=1, s=1))
        self.bone = nn.Sequential(*self.bone)

        # mlp: [72, 36, 18, 6]
        size = self.bone(self.head(torch.zeros([1, 3, *IMG_SHAPE]))).numel() // 2
        self.mlp = MLP([size, *hidden, 6])

    def forward(self, x):
        batch_size = x.shape[0]
        # 使用卷积层进行推导
        x = self.head(x)
        x = self.bone(x)
        # 在水平轴上分割: 左半图信息、右半图信息
        wu = x.shape[3] // 2
        # 左半图在通道维度上翻转
        x_l = x[..., :wu].flip(1).contiguous().view(batch_size, -1)
        # 右半图在水平轴上翻转
        x_r = x[..., wu:].flip(3).contiguous().view(batch_size, -1)
        # 在新维度上拼接左半图、右半图
        x = torch.stack([x_l, x_r], dim=1)
        x = self.mlp(x, reshape=False)
        return x

损失计算

使用半精度训练方法，训练时 FPS 从原来的 482 提升到 675（提升40%）

在加载数据集时，对图像张量使用 .half()，将数据类型从 float32 转为 float16，节约了大量 CPU 资源
初始化 Model 后，使用 .half() 方法使使模型支持半精度训练，设置 Adam 优化器的 eps 为 1e-4，避免计算交叉熵时出现 nan

训练集损失收敛到 0.15 附近时，准确率也将近 99%；但测试集损失却越来越大，振荡范围在 [0.70, 0.90]，准确率渐渐跌下 90%

针对严重的过拟合现象，采用了以下防过拟合的措施：

数据集刷新：每训练 10 轮，改变图像的饱和度、亮度、对比度
隐式数据增强：在训练中读取 batch 后，才对图像进行水平翻转，交换左右手势识别结果，使 batchsize 翻倍。几乎不增加 CPU 存储量，使数据集翻倍
低精度弥补：修改交叉熵损失的正例权值，使得网络可以偏向于提高某一类别的精度
L2 范数正则化：

使用 Softmax 将全连接层的输出值转化为概率，只在交叉熵损失的作用下，可观察到概率越来越趋向于 Hard Pred

但很明显 Soft Pred 的信息更丰富，有助于网络泛化能力的提升，记概率向量为 w，正则项构造为：

$Re(w)=\sum_{i=1}^6w_{i}^{2}$

在训练过程中，与交叉熵损失加权；在测试过程中则不参与计算

BATCH_SIZE = 20
LEARN_RATE = 2e-3
REGULAR_WEIGHT = 2


class Classifier(Trainer):
    ''' 分类器
        net: 网络模型
        net_file: 网络模型保存路径 (.pt)'''

    def __init__(self, net, net_file: str, lr: float, classes=10):...

    def _forward(self, data_set, train: bool, prefix: str):
        # 批信息
        batch_num = len(data_set)
        # 初始化分类精度计算器
        counter = Pr_Counter(batch_num, prefix)
        for idx, batch in enumerate(data_set):
            loss, logits, target = self.loss(batch)
            if train:
                # 叠加正则项
                regular = (logits.softmax(dim=2) ** 2).mean()
                loss += REGULAR_WEIGHT * regular
                # loss 反向传播梯度，并迭代
                loss.backward()
                self._optimizer.step()
                self._optimizer.zero_grad()
            # 更新分类精度计算器
            avg_loss = counter.update(idx, logits, target, loss)
        # 关闭进度条
        counter.pbar.close()
        return avg_loss

    def loss(self, batch):
        # 交叉熵正例权值
        ce_weight = torch.tensor([.9, 1.2, 1.1, 1.0, 1.1, 1.2]).half().cuda()
        # 水平翻转图像、改变标签, 拼接到原图像上完成数据增强
        image, target = batch
        image = torch.cat([image, image.flip(3)], dim=0).cuda()
        target = torch.cat([target, target.flip(1)], dim=0).cuda()
        # 调用神经网络
        logits = self.net(image)
        # 使用交叉熵损失
        loss = F.cross_entropy(logits[:, 0], target[:, 0], weight=ce_weight) + \
               F.cross_entropy(logits[:, 1], target[:, 1], weight=ce_weight)
        return loss, logits, target

随着训练轮次的增加，训练集的损失逐渐减小

没有正则项的作用时，测试集的损失越来越大，过拟合现象越来越严重

有正则项的作用时，测试集的损失相对更加平稳，没有明显的上升趋势

取得成效：AP 提升 4.01% (最终 86.66%)，Acc 提升 2.00% (最终 92.84%)

信号管理器

读取视频并对每一帧图像进行识别后，将识别结果传进信号管理器，并记录“连续消失次数”、“连续出现次数”

Tentative：当手势第 1 次出现时，记为不确定态，不对外展示
Confirmd：当手势连续出现 3 次时，记为确信态，对外展示
Deleted：当手势连续消失 3 次 / 未连续出现 3 次时，记为删除态，取消对外展示

信号管理器通过对三种状态的转换，实现了视频前后帧识别结果的关联，进一步提高了手势识别结果的连续性、平稳性

在使用网络对图像进行手势识别时，同时识别原图、水平翻转图像

左手识别结果: 原图左手识别结果 + 水平翻转后右手识别结果
右手识别结果: 原图右手识别结果 + 水平翻转后左手识别结果

不同图像识别结果的叠加，进一步提升了手势识别结果的可信度

def parse_signal(image, augment=True):
    ''' 图像 -> 手势识别结果'''
    # 读取并对图像执行变换
    image = Image.fromarray(image)
    image = TRAN(image)
    start = time.time()
    if augment:
        # 拼接上水平翻转图像
        image = torch.stack([image, image.flip(2)], dim=0)
        # 使用神经网络进行预测
        logits = model(image).view(4, -1)
        # 左手识别结果: 原图左手识别结果 + 水平翻转后右手识别结果
        left_logits = logits[0] + logits[3]
        # 右手识别结果: 原图右手识别结果 + 水平翻转后左手识别结果
        right_logits = logits[1] + logits[2]
    else:
        left_logits, right_logits = model(image.unsqueeze(0))[0]
    left_command = left_logits.argmax().item()
    right_command = right_logits.argmax().item()
    # 计算 FPS
    cost = time.time() - start
    fps = round(1 / cost)
    return [left_command, right_command], f'FPS: {fps}'


class Signal_Manager:
    state_dict = ['close', 'in', 'out', 'rise', 'drop']

    def __init__(self, comfirm_time=3, loss_time=3):
        # 系统参数
        self.comfirm_time = comfirm_time
        self.loss_time = loss_time
        # 初始化状态记录器
        self.state = torch.zeros([2, 5], dtype=torch.bool)
        # 初始化消失、出现计数器
        self.loss_count = torch.zeros_like(self.state, dtype=torch.uint8)
        self.appear_count = torch.zeros_like(self.state, dtype=torch.uint8)

    def receive(self, result):
        # 生成命令掩膜
        left_command, right_command = result
        command = torch.zeros_like(self.state, dtype=torch.bool)
        if left_command:
            command[0][left_command - 1] = True
        if right_command:
            command[1][right_command - 1] = True
        # 记录出现次数
        self.appear_count += command
        # 当出现次数达到 3 时, 才确信已经出现
        self.state |= self.appear_count >= self.comfirm_time
        # 如果出现则重新计算消失次数
        self.loss_count *= ~ command
        # 记录消失次数
        self.loss_count += ~ command
        # 判断动作是否已消失
        keep_state = self.loss_count < self.loss_time
        # 消失则从状态中抹除
        self.state *= keep_state
        # 未被抹除的继续计数
        self.appear_count *= keep_state
        # 数据剪枝
        self.appear_count = torch.clip(self.appear_count, 0, self.comfirm_time)
        self.loss_count = torch.clip(self.loss_count, 0, self.loss_time)
        # 状态后处理
        self.output_file()
        return self.output_state()

    def output_state(self, true='@', false='-'):
        # 生成手势识别信息
        message = ['Left: [', 'Right:[']
        for i in range(2):
            for action, state in zip(self.state_dict, self.state[i]):
                state = true if state else false
                message[i] += f'{action}{state} '
            message[i] = message[i].rstrip() + ']'
        # 输出识别信息
        print(f'\r{message[0]} —— {message[1]}', end='')
        return message

    def output_file(self):
        state = self.state.int()
        tran = lambda item: str(item.item())
        # 等待状态文件被读取
        if CONTROL:
            while os.path.isfile(STATE_FILE):
                pass
        # 写入状态文件
        with open(STATE_FILE, 'w') as f:
            f.write(' '.join(map(tran, state[0])))
            f.write('\n')
            f.write(' '.join(map(tran, state[1])))

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