【Computer Vision】基于ResNet-50实现CIFAR10数据集分类

活动地址：[CSDN21天学习挑战赛](https://marketing.csdn.net/p/bdabfb52c5d56532133df2adc1a728fd)

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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博客主页：ぃ灵彧が的学习日志
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本文专栏：人工智能
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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

1. 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__)

2. 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

1. 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。

2. 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

1. RESNET网络模型

本示例直接调用飞桨API内置网络，resnet18进行训练！

2. 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)

1. 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)

2. 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')

1. 模型验证

model.evaluate(eval_dataset, batch_size=batch_size, verbose=1)

2. 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。】

ps：更多精彩内容还请进入本文专栏：人工智能，进行查看，欢迎大家支持与指教啊～(￣▽￣～)~