如何使用pytorch内置torch.nn.CTCLoss的方法&&车牌识别应用

一、开篇简述

CTC 的全称是Connectionist Temporal Classification，中文名称是“连接时序分类”，这个方法主要是解决神经网络label 和output 不对齐的问题（Alignment problem），其优点是不用强制对齐标签且标签可变长，仅需输入序列和监督标签序列即可进行训练，目前，该方法主要应用于场景文本识别（scene text recognition）、语音识别（speech recognition）及手写字识别（handwriting recognition）等工程场景。以往我们在百度上搜索pytorch + ctc loss得到的结果基本上warp-ctc的使用方法，warp-ctc是百度开源的一个可以应用在CPU和GPU上高效并行的CTC代码库，但是为了在pytorch上使用warp-ctc我们不仅需要编译其源代码还需要进行安装配置，使用起来着实麻烦。而在Pytorch 1.0.x版本内早就有内置ctc loss接口了，我们完全可以直接使用，只是很少有资料介绍如何使用该API。因此，本篇文章结合我个人工程实践中的经验介绍我在pytorch中使用其内置torch.nn.CTCLoss的方法，但不会对ctc loss原理进行展开，期望能给大家在工程实践中使用torch.nn.CTCLoss带来帮助！

二、CTCLoss接口使用说明

第一步，获取CTCLoss()对象

ctc_loss = nn.CTCLoss(blank=len(CHARS)-1, reduction='mean')

类初始化参数说明：

blank：空白标签所在的label值，默认为0，需要根据实际的标签定义进行设定；

reduction：处理output losses的方式，string类型，可选’none’ 、 ‘mean’ 及 ‘sum’，’none’表示对output losses不做任何处理，’mean’ 则对output losses取平均值处理，’sum’则是对output losses求和处理，默认为’mean’ 。

第二步，在迭代中调用CTCLoss()对象计算损失值

loss = ctc_loss(log_probs, targets, input_lengths, target_lengths)

CTCLoss()对象调用形参说明：

log_probs：shape为(T, N, C)的模型输出张量，其中，T表示CTCLoss的输入长度也即输出序列长度，N表示训练的batch size长度，C则表示包含有空白标签的所有要预测的字符集总长度，log_probs一般需要经过torch.nn.functional.log_softmax处理后再送入到CTCLoss中；

targets：shape为(N, S) 或(sum(target_lengths))的张量，其中第一种类型，N表示训练的batch size长度，S则为标签长度，第二种类型，则为所有标签长度之和，但是需要注意的是targets不能包含有空白标签；

input_lengths：shape为(N)的张量或元组，但每一个元素的长度必须等于T即输出序列长度，一般来说模型输出序列固定后则该张量或元组的元素值均相同；

target_lengths：shape为(N)的张量或元组，其每一个元素指示每个训练输入序列的标签长度，但标签长度是可以变化的；

举个具体例子说明如何使用CTCLoss()，如下为CTCLoss在车牌识别里面的应用:

比如我们需要预测的字符集如下，其中’-‘表示空白标签；

CHARS = ['京', '沪', '津', '渝', '冀', '晋', '蒙', '辽', '吉', '黑',
         '苏', '浙', '皖', '闽', '赣', '鲁', '豫', '鄂', '湘', '粤',
         '桂', '琼', '川', '贵', '云', '藏', '陕', '甘', '青', '宁',
         '新',
         '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
         'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'J', 'K',
         'L', 'M', 'N', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V',
         'W', 'X', 'Y', 'Z', 'I', 'O', '-'
         ]

因为空白标签所在的位置为len(CHARS)-1，而我们需要处理CTCLoss output losses的方式为‘mean’，则需要按照如下方式初始化CTCLoss类：

ctc_loss = nn.CTCLoss(blank=len(CHARS)-1, reduction=’mean’)

我们设定输出序列长度T为18，训练批大小N为4且训练数据集仅有4张车牌（为了方便说明）如下，总的字符集长度C如上面CHARS所示为68：

那么我们在训练一次迭代中打印各个输入形参得出如下结果：

1）log_probs由于数值比较多且为神经网络前向输出结果，我们仅打印其shape出来，如下：

torch.Size([18, 4, 68])

2）打印targets如下，表示这四张车牌的训练标签，根据target_lengths划分标签后可分别表示这四张车牌：

tensor([18, 45, 33, 37, 40, 49, 63, 4, 54, 51, 34, 53, 37, 38, 22, 56, 37, 38,33, 39, 34, 46, 2, 41, 44, 37, 39, 35, 33, 40])

3）打印target_lengths如下，每个元素分别指定了按序取targets多少个元素来表示一个车牌即标签：

(7, 7, 8, 8)

我们划分targets后得到如下标签：

18, 45, 33, 37, 40, 49, 63  -->> 车牌 “湘E269JY”
4, 54, 51, 34, 53, 37, 38   -->> 车牌 “冀PL3N67”
22, 56, 37, 38,33, 39, 34, 46  -->> 车牌 “川R67283F”
2, 41, 44, 37, 39, 35, 33, 40  -->> 车牌 “津AD68429”

target_lengths元素数量的不同则表示了标签可变长。

4）打印input_lengths如下，由于输出序列长度T已经设定为18，因此其元素均是固定相同的：

(18, 18, 18, 18)

其中，只要模型配置固定了后，log_probs不需要我们组装再传送到CTCLoss，但是其余三个输入形参均需要我们根据实际数据集及C、T、N的情况进行设定！

三、需要注意的地方

3.1 官方所给的例程如下，但在实际应用中需要将log_probs的detach()去掉，否则无法反向传播进行训练；

>>> ctc_loss = nn.CTCLoss()
>>> log_probs = torch.randn(50, 16, 20).log_softmax(2).detach().requires_grad_()
>>> targets = torch.randint(1, 20, (16, 30), dtype=torch.long)
>>> input_lengths = torch.full((16,), 50, dtype=torch.long)
>>> target_lengths = torch.randint(10,30,(16,), dtype=torch.long)
>>> loss = ctc_loss(log_probs, targets, input_lengths, target_lengths)
>>> loss.backward()

3.2 blank空白标签一定要依据空白符在预测总字符集中的位置来设定，否则就会出错；

3.3 targets建议将其shape设为(sum(target_lengths))，然后再由target_lengths进行输入序列长度指定就好了，这是因为如果设定为(N, S)，则因为S的标签长度如果是可变的，那么我们组装出来的二维张量的第一维度的长度仅为min(S)将损失一部分标签值（多维数组每行的长度必须一致），这就导致模型无法预测较长长度的标签；

3.4 输出序列长度T尽量在模型设计时就要考虑到模型需要预测的最长序列，如需要预测的最长序列其长度为I，则理论上T应大于等于2I+1，这是因为CTCLoss假设在最坏情况下每个真实标签前后都至少有一个空白标签进行隔开以区分重复项；

3.5 输出的log_probs除了进行log_softmax()处理再送入CTCLoss外，还必须要调整其维度顺序，确保其shape为(T, N, C)！

 

标签：log,nn,lengths,标签,torch,pytorch,长度,CTCLoss
来源： https://blog.csdn.net/CSDNwei/article/details/120223026