【Computer Vision】基于ResNet-50实现CIFAR10数据集分类
作者简介：在校大学生一枚，华为云享专家，阿里云星级博主，腾云先锋（TDP）成员，云曦智划项目总负责人，全国高等学校计算机教学与产业实践资源建设专家委员会（TIPCC）志愿者，以及编程爱好者，期待和大家一起学习，一起进步~
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专栏寄语：若你决定灿烂，山无遮，海无拦
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前言
任务描述
图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来，是计算机视觉中重要的基本问题
猫狗分类属于图像分类中的粗粒度分类问题
一、美食识别数据集加载
(一)、参数配置
- 导入相关包：
# 导入需要的包
import paddle
import os
import numpy as np
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
import sys
import pickle
from paddle.vision.transforms import ToTensor
import paddle.nn.functional as F
print("本教程基于Paddle的版本号为："+paddle.__version__)- 参数配置
'''
参数配置
'''
train_parameters = {
"input_size": [3, 32, 32], #输入图片的shape
"src_path":"/home/aistudio/data/data9154/cifar-10-python.tar.gz", #原始数据集路径
"target_path":"/home/aistudio/cifar-10-batches-py", #要解压的路径
"num_epochs": 40, #训练轮数
"train_batch_size": 64, #批次的大小
"learning_strategy": { #优化函数相关的配置
"lr": 0.0001 #超参数学习率
}
}(二)、解压原始数据集
- 数据集介绍：
我们使用CIFAR10数据集。CIFAR10数据集包含60,000张32x32的彩色图片，10个类别，每个类包含6,0000张。其中50,000张图片作为训练集，10000张作为验证集。这次我们只对其中的猫和狗两类进行预测。
- train_dataset和eval_dataset
自定义读取器处理训练集和测试集
paddle.reader.shuffle()表示每次缓存BUF_SIZE个数据项，并进行打乱
paddle.batch()表示每BATCH_SIZE组成一个batch
def unzip_data(src_path,target_path):
'''
解压原始数据集，将src_path路径下的zip包解压至/home/aistudio/目录下
'''
if(not os.path.isdir(target_path)):
import tarfile
tar = tarfile.open(src_path,'r')
tar.extractall(PATH=target_path)
tar.close()
else:
print("文件已解压")(三)、参数初始化
#参数初始化
src_path=train_parameters['src_path']
target_path=train_parameters['target_path']
batch_size=train_parameters['train_batch_size']
image_size=train_parameters['input_size']
epoch_num=train_parameters['num_epochs']
lr=train_parameters['learning_strategy']['lr']
#解压原始数据到指定路径
unzip_data(src_path,target_path)
#定义数据序列化函数
def unpickle(file):
with open(file, 'rb') as fo:
dict = pickle.load(fo, encoding='bytes')
return dict
print(unpickle("cifar-10-batches-py/data_batch_1").keys())
print(unpickle("cifar-10-batches-py/test_batch").keys())'''
自定义数据集
'''
from paddle.io import Dataset
class MyDataset(paddle.io.Dataset):
"""
步骤一：继承paddle.io.Dataset类
"""
def __init__(self, mode='train'):
"""
步骤二：实现构造函数，定义数据集大小
"""
super(MyDataset, self).__init__()
if mode == 'train':
xs=[]
ys=[]
self.data = []
self.label = []
#批量读入数据
for i in range(1,6):
train_dict=unpickle("cifar-10-batches-py/data_batch_%d" % (i,))
xs.append(train_dict[b'data'])
ys.append(train_dict[b'labels'])
#拼接数据
Xtr = np.concatenate(xs)
Ytr = np.concatenate(ys)
#数据归一化处理
for (x,y) in zip(Xtr,Ytr):
x= x.flatten().astype('float32')/255.0
x= x.reshape(image_size)
#将数据同一添加到data和label中
self.data.append(x)
self.label.append(np.array(y).astype('int64'))
else:
self.data = []
self.label = []
#读入数据
test_dict=unpickle("cifar-10-batches-py/test_batch")
X=test_dict[b'data']
Y=test_dict[b'labels']
for (x,y) in zip(X,Y):
#数据归一化处理
x= x.flatten().astype('float32')/255.0
x= x.reshape(image_size)
#将数据同一添加到data和label中
self.data.append(x)
self.label.append(np.array(y).astype('int64'))
def __getitem__(self, index):
"""
步骤三：实现__getitem__方法，定义指定index时如何获取数据，并返回单条数据（训练数据，对应的标签）
"""
#返回单一数据和标签
data = self.data[index]
label = self.label[index]
#注：返回标签数据时必须是int64
return data, np.array(label, dtype='int64')
def __len__(self):
"""
步骤四：实现__len__方法，返回数据集总数目
"""
#返回数据总数
return len(self.data)
# 测试定义的数据集
train_dataset = MyDataset(mode='train')
eval_dataset = MyDataset(mode='val')
print('=============train_dataset =============')
#输出数据集的形状和标签
print(train_dataset.__getitem__(1)[0].shape,train_dataset.__getitem__(1)[1])
#输出数据集的长度
print(train_dataset.__len__())
print('=============eval_dataset =============')
#输出数据集的形状和标签
for data, label in eval_dataset:
print(data.shape, label)
break
#输出数据集的长度
print(eval_dataset.__len__())(四)、飞桨内置数据集
本案例将会介绍飞桨提供的API完成数据集的下载并为后续的训练任务准备好数据迭代器。cifar10数据集由60000张大小为32 * 32的彩色图片组成，其中有50000张图片组成了训练集，另外10000张图片组成了测试集。这些图片分为10个类别，将训练一个模型能够把图片进行正确的分类。
这种方式跟上方的自定义数据集是一样的，只不过飞桨帮助大家进行了封装，使用更加方便~
print('飞桨内置数据集：', paddle.vision.datasets.__all__)Batch=0
Batchs=[]
all_train_accs = []
def draw_train_acc(Batchs, train_accs):
title="training accs"
plt.title(title, fontsize=24)
plt.xlabel("batch", fontsize=14)
plt.ylabel("acc", fontsize=14)
plt.plot(Batchs, train_accs, color='green', label='training accs')
plt.legend()
plt.grid()
plt.show()
all_train_loss = []
def draw_train_loss(Batchs, train_loss):
title="training loss"
plt.title(title, fontsize=24)
plt.xlabel("batch", fontsize=14)
plt.ylabel("loss", fontsize=14)
plt.plot(Batchs, train_loss, color='red', label='training loss')
plt.legend()
plt.grid()
plt.show()二、网络配置
- RESNET网络模型
本示例直接调用飞桨API内置网络，resnet18进行训练！
- 飞桨内置网络
print('飞桨内置网络：', paddle.vision.models.__all__)model = paddle.vision.models.resnet18()
paddle.summary(model,(1,3,32,32))三、模型训练
(一)、基于基础API，完成模型的训练与预测
接下来，用一个循环来进行模型的训练，将会:
使用 paddle.optimizer.Adam 优化器来进行优化。
使用 F.cross_entropy 来计算损失值。
使用 paddle.io.DataLoader 来加载数据并组建batch。
print('start training ... ')
# turn into training mode
model.train()
opt = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=lr,
parameters=model.parameters())
train_loader = paddle.io.DataLoader(train_dataset,
shuffle=True,
batch_size=batch_size)
valid_loader = paddle.io.DataLoader(eval_dataset, batch_size=batch_size)
for epoch in range(epoch_num):
for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
x_data = data[0]
y_data = paddle.to_tensor(data[1])
y_data = paddle.unsqueeze(y_data, 1)
logits = model(x_data)
loss = F.cross_entropy(logits, y_data)
acc = paddle.metric.accuracy(logits,y_data)#计算精度
if batch_id!=0 and batch_id%100==0:
Batch = Batch + 100
Batchs.append(Batch)
all_train_loss.append(loss.numpy()[0])
all_train_accs.append(acc.numpy()[0])
print("train_pass:{},batch_id:{},train_loss:{},train_acc:{}".format(epoch,batch_id,loss.numpy(),acc.numpy()))
loss.backward()
opt.step()
opt.clear_grad() #opt.clear_grad()来重置梯度
paddle.save(model.state_dict(),'resnet18')#保存模型
draw_train_acc(Batchs,all_train_accs)
draw_train_loss(Batchs,all_train_loss)- 模型验证
训练完成后，需要验证模型的效果，此时，加载测试数据集，然后用训练好的模对测试集进行预测，计算损失与精度。
#模型评估
para_state_dict = paddle.load("resnet18")
model.set_state_dict(para_state_dict) #加载模型参数
model.eval() #训练模式
accs = []
for batch_id,data in enumerate(valid_loader()):#测试集
x_data = data[0]
y_data = paddle.to_tensor(data[1])
y_data = paddle.unsqueeze(y_data, 1)
logits = model(x_data)
acc = paddle.metric.accuracy(logits, y_data)
accs.append(acc.numpy())
avg_acc = np.mean(accs)
print("当前模型在验证集上的准确率为:",avg_acc)- 模型预测
# 图片预处理
def load_image(file):
'''
预测图片预处理
'''
#打开图片
im = Image.open(file)
#将图片调整为跟训练数据一样的大小 32*32，设定ANTIALIAS，即抗锯齿.resize是缩放
im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS)
#建立图片矩阵 类型为float32
im = np.array(im).astype(np.float32)
#矩阵转置
im = im.transpose((2, 0, 1))
#将像素值从【0-255】转换为【0-1】
im = im / 255.0
#print(im)
im = np.expand_dims(im, axis=0)
# 保持和之前输入image维度一致
print('im_shape的维度：',im.shape)
return im'''
模型预测
'''
para_state_dict = paddle.load("resnet18")
model = paddle.vision.models.resnet18()
model.set_state_dict(para_state_dict) #加载模型参数
model.eval() #训练模式
#展示预测图片
infer_path='/home/aistudio/data/data7940/dog.png'
img = Image.open(infer_path)
plt.imshow(img) #根据数组绘制图像
plt.show() #显示图像
#对预测图片进行预处理
infer_img = load_image(infer_path)
infer_img = infer_img.reshape(3,32,32)
#定义标签列表
label_list = [ "airplane", "automobile", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse","ship", "truck"]
data = infer_img
dy_x_data = np.array(data).astype('float32')
dy_x_data=dy_x_data[np.newaxis,:, : ,:]
img = paddle.to_tensor (dy_x_data)
out = model(img)
lab = np.argmax(out.numpy()) #argmax():返回最大数的索引
print(label_list[lab])(二)、基于高层API，完成模型的训练与预测
#step3:训练模型
# 用Model封装模型
model = paddle.Model(model)
# 定义损失函数
model.prepare(optimizer=paddle.optimizer.Adam(parameters=model.parameters()),
loss=paddle.nn.CrossEntropyLoss(),
metrics=paddle.metric.Accuracy())
# 训练可视化VisualDL工具的回调函数
visualdl = paddle.callbacks.VisualDL(log_dir='visualdl_log')
# 启动模型全流程训练
model.fit(train_dataset, # 训练数据集
eval_dataset, # 评估数据集
epochs=epoch_num, # 总的训练轮次
batch_size = batch_size, # 批次计算的样本量大小
shuffle=True, # 是否打乱样本集
verbose=1, # 日志展示格式
save_dir='./chk_points/', # 分阶段的训练模型存储路径
callbacks=[visualdl]) # 回调函数使用
#保存模型
model.save('model_save_dir')- 模型验证
model.evaluate(eval_dataset, batch_size=batch_size, verbose=1)- 模型预测
#定义标签列表
label_list = [ "airplane", "automobile", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse","ship", "truck"]
#读入测试图片并展示
infer_path='/home/aistudio/data/data7940/dog.png'
img = Image.open(infer_path)
plt.imshow(img)
plt.show()
#载入要预测的图片
infer_img = load_image(infer_path)
infer_img = infer_img.reshape(1,1,3,32,32)
#将图片变为数组
# infer_img=np.array(infer_img).astype('float32')
#进行预测
result = model.predict(infer_img)
# 输出预测结果
# print('results',result)
print("infer results: %s" % label_list[np.argmax(result[0][0])]) 总结
本系列文章内容为根据清华社出版的《机器学习实践》所作的相关笔记和感悟，其中代码均为基于百度飞桨开发，若有任何侵权和不妥之处，请私信于我，定积极配合处理，看到必回！！！
最后，引用本次活动的一句话，来作为文章的结语～(￣▽￣～)~：
【学习的最大理由是想摆脱平庸，早一天就多一份人生的精彩；迟一天就多一天平庸的困扰。】
