【深度学习系列】用PaddlePaddle和Tensorflow进行图像分类

　　上个月发布了四篇文章，主要讲了深度学习中的“hello world”----mnist图像识别，以及卷积神经网络的原理详解，包括基本原理、自己手写CNN和paddlepaddle的源码解析。这篇主要跟大家讲讲如何用PaddlePaddle和Tensorflow做图像分类。所有程序都在我的github里，可以自行下载训练。

　　在卷积神经网络中，有五大经典模型，分别是：LeNet-5,AlexNet,GoogleNet,Vgg和ResNet。本文首先自己设计一个小型CNN网络结构来对图像进行分类，再了解一下LeNet-5网络结构对图像做分类，并用比较流行的Tensorflow框架和百度的PaddlePaddle实现LeNet-5网络结构，并对结果对比。

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 什么是图像分类

　　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，也是图像检测、图像分割、物体跟踪、行为分析等其他高层视觉任务的基础。图像分类在很多领域有广泛应用，包括安防领域的人脸识别和智能视频分析等，交通领域的交通场景识别，互联网领域基于内容的图像检索和相册自动归类，医学领域的图像识别等(引用自官网)

　cifar-10数据集

　　CIFAR-10分类问题是机器学习领域的一个通用基准，由60000张32*32的RGB彩色图片构成，共10个分类。50000张用于训练集，10000张用于测试集。其问题是将32X32像素的RGB图像分类成10种类别:飞机，手机，鸟，猫，鹿，狗，青蛙，马，船和卡车。更多信息可以参考CIFAR-10和Alex Krizhevsky的演讲报告。常见的还有cifar-100，分类物体达到100类，以及ILSVRC比赛的100类。

　

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自己设计CNN

　 了解CNN的基本网络结构后，首先自己设计一个简单的CNN网络结构对cifar-10数据进行分类。

　　网络结构

　　代码实现

　　1.网络结构：simple_cnn.py

 #coding:utf-8
 '''
 Created by huxiaoman 2017.11.27
 simple_cnn.py:自己设计的一个简单的cnn网络结构
 '''

 import os
 from PIL import Image
 import numpy as np
 import paddle.fluid as fluid
 from paddle.trainer_config_helpers import *

 with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '') != ''

 def simple_cnn(img):
     conv_pool_1 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
         input=img,
         filter_size=5,
         num_filters=20,
         num_channel=3,
         pool_size=2,
         pool_stride=2,
         act=paddle.activation.Relu())
     conv_pool_2 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
         input=conv_pool_1,
         filter_size=5,
         num_filters=50,
         num_channel=20,
         pool_size=2,
         pool_stride=2,
         act=paddle.activation.Relu())
     fc = paddle.layer.fc(
         input=conv_pool_2, size=512, act=paddle.activation.Softmax())

　　2.训练程序：train_simple_cnn.py

 #coding:utf-8
 '''
 Created by huxiaoman 2017.11.27
 train_simple—_cnn.py:训练simple_cnn对cifar10数据集进行分类
 '''
 import sys, os

 import paddle.v2 as paddle
 from simple_cnn import simple_cnn

 with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '') != ''

 def main():
     datadim = 3 * 32 * 32
     classdim = 10

     # PaddlePaddle init
     paddle.init(use_gpu=with_gpu, trainer_count=7)

     image = paddle.layer.data(
         name="image", type=paddle.data_type.dense_vector(datadim))

     # Add neural network config
     # option 1. resnet
     # net = resnet_cifar10(image, depth=32)
     # option 2. vgg
     net = simple_cnn(image)

     out = paddle.layer.fc(
         input=net, size=classdim, act=paddle.activation.Softmax())

     lbl = paddle.layer.data(
         name="label", type=paddle.data_type.integer_value(classdim))
     cost = paddle.layer.classification_cost(input=out, label=lbl)

     # Create parameters
     parameters = paddle.parameters.create(cost)

     # Create optimizer
     momentum_optimizer = paddle.optimizer.Momentum(
         momentum=0.9,
         regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=0.0002 * 128),
         learning_rate=0.1 / 128.0,
         learning_rate_decay_a=0.1,
         learning_rate_decay_b=50000 * 100,
         learning_rate_schedule='discexp')

     # End batch and end pass event handler
     def event_handler(event):
         if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
             if event.batch_id % 100 == 0:
                 print "\nPass %d, Batch %d, Cost %f, %s" % (
                     event.pass_id, event.batch_id, event.cost, event.metrics)
             else:
                 sys.stdout.write('.')
                 sys.stdout.flush()
         if isinstance(event, paddle.event.EndPass):
             # save parameters
             with open('params_pass_%d.tar' % event.pass_id, 'w') as f:
                 parameters.to_tar(f)

             result = trainer.test(
                 reader=paddle.batch(
                     paddle.dataset.cifar.test10(), batch_size=128),
                 feeding={'image': 0,
                          'label': 1})
             print "\nTest with Pass %d, %s" % (event.pass_id, result.metrics)

     # Create trainer
     trainer = paddle.trainer.SGD(
         cost=cost, parameters=parameters, update_equation=momentum_optimizer)

     # Save the inference topology to protobuf.
     inference_topology = paddle.topology.Topology(layers=out)
     with open("inference_topology.pkl", 'wb') as f:
         inference_topology.serialize_for_inference(f)

     trainer.train(
         reader=paddle.batch(
             paddle.reader.shuffle(
                 paddle.dataset.cifar.train10(), buf_size=50000),
             batch_size=128),
         num_passes=200,
         event_handler=event_handler,
         feeding={'image': 0,
                  'label': 1})

     # inference
     from PIL import Image
     import numpy as np
     import os

     def load_image(file):
         im = Image.open(file)
         im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS)
         im = np.array(im).astype(np.float32)
         # The storage order of the loaded image is W(widht),
         # H(height), C(channel). PaddlePaddle requires
         # the CHW order, so transpose them.
         im = im.transpose((2, 0, 1))  # CHW
         # In the training phase, the channel order of CIFAR
         # image is B(Blue), G(green), R(Red). But PIL open
         # image in RGB mode. It must swap the channel order.
         im = im[(2, 1, 0), :, :]  # BGR
         im = im.flatten()
         im = im / 255.0
         return im

     test_data = []
     cur_dir = os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))
     test_data.append((load_image(cur_dir + '/image/dog.png'), ))

     # users can remove the comments and change the model name
     # with open('params_pass_50.tar', 'r') as f:
     #    parameters = paddle.parameters.Parameters.from_tar(f)

     probs = paddle.infer(
         output_layer=out, parameters=parameters, input=test_data)
     lab = np.argsort(-probs)  # probs and lab are the results of one batch data
     print "Label of image/dog.png is: %d" % lab[0][0]

 if __name__ == '__main__':
     main()

　　

　　3.结果输出

 I1128 21:44:30.218085 14733 Util.cpp:166] commandline:  --use_gpu=True --trainer_count=7
 [INFO 2017-11-28 21:44:35,874 layers.py:2539] output for __conv_pool_0___conv: c = 20, h = 28, w = 28, size = 15680
 [INFO 2017-11-28 21:44:35,874 layers.py:2667] output for __conv_pool_0___pool: c = 20, h = 14, w = 14, size = 3920
 [INFO 2017-11-28 21:44:35,875 layers.py:2539] output for __conv_pool_1___conv: c = 50, h = 10, w = 10, size = 5000
 [INFO 2017-11-28 21:44:35,876 layers.py:2667] output for __conv_pool_1___pool: c = 50, h = 5, w = 5, size = 1250
 I1128 21:44:35.881502 14733 MultiGradientMachine.cpp:99] numLogicalDevices=1 numThreads=7 numDevices=8
 I1128 21:44:35.928449 14733 GradientMachine.cpp:85] Initing parameters..
 I1128 21:44:36.056259 14733 GradientMachine.cpp:92] Init parameters done.

 Pass 0, Batch 0, Cost 2.302628, {'classification_error_evaluator': 0.9296875}
 ................................................................................
 ```
 Pass 199, Batch 200, Cost 0.869726, {'classification_error_evaluator': 0.3671875}
 ...................................................................................................
 Pass 199, Batch 300, Cost 0.801396, {'classification_error_evaluator': 0.3046875}
 ..........................................................................................I1128 23:21:39.443141 14733 MultiGradientMachine.cpp:99] numLogicalDevices=1 numThreads=7 numDevices=8

 Test with Pass 199, {'classification_error_evaluator': 0.5248000025749207}
 Label of image/dog.png is: 9

　　我开了7个线程，用了8个Tesla K80 GPU训练，batch_size = 128,迭代次数200次，耗时1h37min，错误分类率为0.5248，这个结果，emm，不算很高，我们可以把它作为一个baseline，后面对其进行调优。

　　

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LeNet-5网络结构

　　Lenet-5网络结构来源于Yan LeCun提出的,原文为《Gradient-based learning applied to document recognition》，论文里使用的是mnist手写数字作为输入数据（32 * 32）进行验证。我们来看一下网络结构。

　　LeNet-5一共有8层: 1个输入层+3个卷积层(C1、C3、C5)+2个下采样层(S2、S4)+1个全连接层(F6)+1个输出层，每层有多个feature map(自动提取的多组特征)。

　　Input输入层

　cifar10 数据集，每一张图片尺寸：32 * 32

　　C1 卷积层

• 6个feature_map，卷积核大小 5 * 5 ，feature_map尺寸：28 * 28
• 每个卷积神经元的参数数目：5 * 5 = 25个和一个bias参数
• 连接数目：（5*5+1）* 6 *（28*28） = 122,304
• 参数共享：每个feature_map内共享参数，$\therefore$共(5*5+1)*6 = 156个参数

　　S2 下采样层（池化层）

• 6个14*14的feature_map，pooling大小 2* 2
• 每个单元与上一层的feature_map中的一个2*2的滑动窗口连接，不重叠，因此S2每个feature_map大小是C1中feature_map大小的1/4
• 连接数：（2*2+1)*1*14*14*6 = 5880个
• 参数共享：每个feature_map内共享参数，有2 * 6 = 12个训练参数

　　C3 卷积层

　　这层略微复杂，S2神经元与C3是多对多的关系，比如最简单方式：用S2的所有feature map与C3的所有feature map做全连接(也可以对S2抽样几个feature map出来与C3某个feature map连接)，这种全连接方式下：6个S2的feature map使用6个独立的5×5卷积核得到C3中1个feature map(生成每个feature map时对应一个bias)，C3中共有16个feature map，所以该层需要学习的参数个数为：(5×5×6+1)×16=2416个，神经元连接数为：2416×8×8=154624个。

　　S4 下采样层

　　同S2，如果采用Max Pooling/Mean Pooling，则该层需要学习的参数个数为0个，神经元连接数为：(2×2+1)×16×4×4=1280个。

　　C5卷积层

　　类似C3，用S4的所有feature map与C5的所有feature map做全连接，这种全连接方式下：16个S4的feature map使用16个独立的1×1卷积核得到C5中1个feature map(生成每个feature map时对应一个bias)，C5中共有120个feature map，所以该层需要学习的参数个数为：(1×1×16+1)×120=2040个，神经元连接数为：2040个。

　　F6 全连接层

　　将C5层展开得到4×4×120=1920个节点，并接一个全连接层，考虑bias，该层需要学习的参数和连接个数为：(1920+1)*84=161364个。

　　输出层

　　该问题是个10分类问题，所以有10个输出单元，通过softmax做概率归一化，每个分类的输出单元对应84个输入。

　　　　

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LeNet-5的PaddlePaddle实现

　　1.网络结构 lenet.py

 #coding:utf-8
 '''
 Created by huxiaoman 2017.11.27
 lenet.py:LeNet-5
 '''

 import os
 from PIL import Image
 import numpy as np
 import paddle.v2 as paddle
 from paddle.trainer_config_helpers import *

 with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '') != ''

 def lenet(img):
     conv_pool_1 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
         input=img,
         filter_size=5,
         num_filters=6,
         num_channel=3,
         pool_size=2,
         pool_stride=2,
         act=paddle.activation.Relu())
     conv_pool_2 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
         input=conv_pool_1,
         filter_size=5,
         num_filters=16,
         pool_size=2,
         pool_stride=2,
         act=paddle.activation.Relu())
     conv_3 = img_conv_layer(
         input = conv_pool_2,
         filter_size = 1,
         num_filters = 120,
         stride = 1)
     fc = paddle.layer.fc(
         input=conv_3, size=84, act=paddle.activation.Sigmoid())
     return fc

　　2.训练代码 train_lenet.py

 #coding:utf-8
 '''
 Created by huxiaoman 2017.11.27
 train_lenet.py:训练LeNet-5对cifar10数据集进行分类
 '''

 import sys, os

 import paddle.v2 as paddle
 from lenet import lenet

 with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '') != ''

 def main():
     datadim = 3 * 32 * 32
     classdim = 10

     # PaddlePaddle init
     paddle.init(use_gpu=with_gpu, trainer_count=7)

     image = paddle.layer.data(
         name="image", type=paddle.data_type.dense_vector(datadim))

     # Add neural network config
     # option 1. resnet
     # net = resnet_cifar10(image, depth=32)
     # option 2. vgg
     net = lenet(image)

     out = paddle.layer.fc(
         input=net, size=classdim, act=paddle.activation.Softmax())

     lbl = paddle.layer.data(
         name="label", type=paddle.data_type.integer_value(classdim))
     cost = paddle.layer.classification_cost(input=out, label=lbl)

     # Create parameters
     parameters = paddle.parameters.create(cost)

     # Create optimizer
     momentum_optimizer = paddle.optimizer.Momentum(
         momentum=0.9,
         regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=0.0002 * 128),
         learning_rate=0.1 / 128.0,
         learning_rate_decay_a=0.1,
         learning_rate_decay_b=50000 * 100,
         learning_rate_schedule='discexp')

     # End batch and end pass event handler
     def event_handler(event):
         if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
             if event.batch_id % 100 == 0:
                 print "\nPass %d, Batch %d, Cost %f, %s" % (
                     event.pass_id, event.batch_id, event.cost, event.metrics)
             else:
                 sys.stdout.write('.')
                 sys.stdout.flush()
         if isinstance(event, paddle.event.EndPass):
             # save parameters
             with open('params_pass_%d.tar' % event.pass_id, 'w') as f:
                 parameters.to_tar(f)

             result = trainer.test(
                 reader=paddle.batch(
                     paddle.dataset.cifar.test10(), batch_size=128),
                 feeding={'image': 0,
                          'label': 1})
             print "\nTest with Pass %d, %s" % (event.pass_id, result.metrics)

     # Create trainer
     trainer = paddle.trainer.SGD(
         cost=cost, parameters=parameters, update_equation=momentum_optimizer)

     # Save the inference topology to protobuf.
     inference_topology = paddle.topology.Topology(layers=out)
     with open("inference_topology.pkl", 'wb') as f:
         inference_topology.serialize_for_inference(f)

     trainer.train(
         reader=paddle.batch(
             paddle.reader.shuffle(
                 paddle.dataset.cifar.train10(), buf_size=50000),
             batch_size=128),
         num_passes=200,
         event_handler=event_handler,
         feeding={'image': 0,
                  'label': 1})

     # inference
     from PIL import Image
     import numpy as np
     import os

     def load_image(file):
         im = Image.open(file)
         im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS)
         im = np.array(im).astype(np.float32)
         # The storage order of the loaded image is W(widht),
         # H(height), C(channel). PaddlePaddle requires
         # the CHW order, so transpose them.
         im = im.transpose((2, 0, 1))  # CHW
         # In the training phase, the channel order of CIFAR
         # image is B(Blue), G(green), R(Red). But PIL open
         # image in RGB mode. It must swap the channel order.
         im = im[(2, 1, 0), :, :]  # BGR
         im = im.flatten()
         im = im / 255.0
         return im

     test_data = []
     cur_dir = os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))
     test_data.append((load_image(cur_dir + '/image/dog.png'), ))

     # users can remove the comments and change the model name
     # with open('params_pass_50.tar', 'r') as f:
     #    parameters = paddle.parameters.Parameters.from_tar(f)

     probs = paddle.infer(
         output_layer=out, parameters=parameters, input=test_data)
     lab = np.argsort(-probs)  # probs and lab are the results of one batch data
     print "Label of image/dog.png is: %d" % lab[0][0]

 if __name__ == '__main__':
     main()

　　3.结果输出　

 I1129 14:52:44.314946 15153 Util.cpp:166] commandline:  --use_gpu=True --trainer_count=7
 [INFO 2017-11-29 14:52:50,490 layers.py:2539] output for __conv_pool_0___conv: c = 6, h = 28, w = 28, size = 4704
 [INFO 2017-11-29 14:52:50,491 layers.py:2667] output for __conv_pool_0___pool: c = 6, h = 14, w = 14, size = 1176
 [INFO 2017-11-29 14:52:50,491 layers.py:2539] output for __conv_pool_1___conv: c = 16, h = 10, w = 10, size = 1600
 [INFO 2017-11-29 14:52:50,492 layers.py:2667] output for __conv_pool_1___pool: c = 16, h = 5, w = 5, size = 400
 [INFO 2017-11-29 14:52:50,493 layers.py:2539] output for __conv_0__: c = 120, h = 5, w = 5, size = 3000
 I1129 14:52:50.498749 15153 MultiGradientMachine.cpp:99] numLogicalDevices=1 numThreads=7 numDevices=8
 I1129 14:52:50.545882 15153 GradientMachine.cpp:85] Initing parameters..
 I1129 14:52:50.651103 15153 GradientMachine.cpp:92] Init parameters done.

 Pass 0, Batch 0, Cost 2.331898, {'classification_error_evaluator': 0.9609375}
 ```
 ......
 Pass 199, Batch 300, Cost 0.004373, {'classification_error_evaluator': 0.0}
 ..........................................................................................I1129 16:17:08.678097 15153 MultiGradientMachine.cpp:99] numLogicalDevices=1 numThreads=7 numDevices=8

 Test with Pass 199, {'classification_error_evaluator': 0.39579999446868896}
 Label of image/dog.png is: 7

　　同样是7个线程，8个Tesla K80 GPU，batch_size = 128,迭代次数200次，耗时1h25min，错误分类率为0.3957，相比与simple_cnn的0.5248提高了12.91%。当然，这个结果也并不是很好，如果输出详细的日志，可以看到在训练的过程中loss先降后升，说明有一定程度的过拟合，对于如何防止过拟合，我们在后面会详细讲解。

　　有一个可视化CNN的网站可以对mnist和cifar10分类的网络结构进行可视化，这是cifar-10 BaseCNN的网络结构：

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LeNet-5的Tensorflow实现

　　tensorflow版本的LeNet-5版本的可以参照models/tutorials/image/cifar10/(https://github.com/tensorflow/models/tree/master/tutorials/image/cifar10)的步骤来训练，不过这里面的代码包含了很多数据处理、权重衰减以及正则化的一些方法防止过拟合。按照官方写的,batch_size=128时在Tesla K40上迭代10w次需要4小时，准确率能达到86%。不过如果不对数据做处理，直接跑的话，效果应该没有这么好。不过可以仔细借鉴cifar10_inputs.py里的distorted_inouts函数对数据预处理增大数据集的思想，以及cifar10.py里对于权重和偏置的衰减设置等。目前迭代到1w次左右，cost是0.98，acc是78.4%

　　对于未进行数据处理的cifar10我准备也跑一次，看看效果如何，与paddle的结果对比一下。不过得等到周末再补上了 = =

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总结

　　本节用常规的cifar-10数据集做图像分类，用了三种实现方式，第一种是自己设计的一个简单的cnn，第二种是LeNet-5，第三种是Tensorflow实现的LeNet-5，对比速度可以见一下表格：

　　可以看到LeNet-5相比于原始的simple_cnn在准确率和速度方面都有一定的的提升，等tensorflow版本跑完后可以把结果加上去再对比一下。不过用Lenet-5网络结构后，结果虽然有一定的提升，但是还是不够理想，在日志里看到loss的信息基本可以推断出是过拟合，对于神经网络训练过程中出现的过拟合情况我们应该如何避免，下期我们讲着重讲解。此外在下一节将介绍AlexNet，并对分类做一个实验，对比其效果。

参考文献

1.LeNet-5论文：《Gradient-based learning applied to document recognition》

2.可视化CNN：http://shixialiu.com/publications/cnnvis/demo/