【第4次作业】CNN实战
使用VGG模型进行猫狗大战
- import numpy as np
- import matplotlib.pyplot as plt
- import os
- import torch
- import torch.nn as nn
- import torchvision
- from torchvision import models,transforms,datasets
- import time
- import json
1、下载数据
2、数据处理
datasets 是 torchvision 中的一个包,可以用做加载图像数据。它可以以多线程(multi-thread)的形式从硬盘中读取数据,使用 mini-batch 的形式,在网络训练中向 GPU 输送。在使用CNN处理图像时,需要进行预处理。图片将被整理成 224×224×3 的大小,同时还将进行归一化处理。
- normalize = transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
- vgg_format = transforms.Compose([
- transforms.CenterCrop(224),
- transforms.ToTensor(),
- normalize,
- ])
- #这里进行了修改,包括训练数据、验证数据、以及测试数据,分别在三个目录train/val/test
- import shutil
- data_dir = './cat_dog'
- os.mkdir("./cat_dog/train/cat")
- os.mkdir("./cat_dog/train/dog")
- os.mkdir("./cat_dog/val/cat")
- os.mkdir("./cat_dog/val/dog")
- for i in range(10000):
- cat_name = './cat_dog/train/cat_'+str(i)+'.jpg';
- dog_name = './cat_dog/train/dog_'+str(i)+'.jpg';
- shutil.move(cat_name,"./cat_dog/train/cat")
- shutil.move(dog_name,"./cat_dog/train/dog")
- for i in range(1000):
- cat_name = './cat_dog/val/cat_'+str(i)+'.jpg';
- dog_name = './cat_dog/val/dog_'+str(i)+'.jpg';
- shutil.move(cat_name,"./cat_dog/val/cat")
- shutil.move(dog_name,"./cat_dog/val/dog")
- #读取测试问题的数据集
- test_path = "./cat_dog/test/dogs_cats"
- os.mkdir(test_path)
- #移动到test_path
- for i in range(2000):
- name = './cat_dog/test/'+str(i)+'.jpg'
- shutil.move(name,"./cat_dog/test/dogs_cats")
- file_list=os.listdir("./cat_dog/test/dogs_cats")
- #将图片名补全,防止读取顺序不对
- for file in file_list:
- #填充0后名字总共10位,包括扩展名
- filename = file.zfill(10)
- new_name =''.join(filename)
- os.rename(test_path+'/'+file,test_path+'/'+new_name)
- #将所有图片数据放到dsets内
- dsets = {x: datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x), vgg_format)
- for x in ['train','val','test']}
- dset_sizes = {x: len(dsets[x]) for x in ['train','val','test']}
- dset_classes = dsets['train'].classes
- loader_train = torch.utils.data.DataLoader(dsets['train'], batch_size=64, shuffle=True, num_workers=6)
- loader_valid = torch.utils.data.DataLoader(dsets['val'], batch_size=5, shuffle=False, num_workers=6)
- #加入测试集
- loader_test = torch.utils.data.DataLoader(dsets['test'], batch_size=5,shuffle=False, num_workers=6)
- '''
- valid 数据一共有2000张图,每个batch是5张,因此,下面进行遍历一共会输出到 400
- 同时,把第一个 batch 保存到 inputs_try, labels_try,分别查看
- '''
- count = 1
- for data in loader_test:
- print(count, end=',')
- if count%50==0:
- print()
- if count == 1:
- inputs_try,labels_try = data
- count +=1
- print(labels_try)
- print(inputs_try.shape)
- # 显示图片的小程序
- def imshow(inp, title=None):
- # Imshow for Tensor.
- inp = inp.numpy().transpose((1, 2, 0))
- mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
- std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
- inp = np.clip(std * inp + mean, 0,1)
- plt.imshow(inp)
- if title is not None:
- plt.title(title)
- plt.pause(0.001) # pause a bit so that plots are updated
- # 显示 labels_try 的5张图片,即valid里第一个batch的5张图片
- out = torchvision.utils.make_grid(inputs_try)
- imshow(out, title=[dset_classes[x] for x in labels_try])
3. 创建 VGG Model
- !wget https://s3.amazonaws.com/deep-learning-models/image-models/imagenet_class_index.json
- model_vgg = models.vgg16(pretrained=True)
- with open('./imagenet_class_index.json') as f:
- class_dict = json.load(f)
- dic_imagenet = [class_dict[str(i)][1] for i in range(len(class_dict))]
- inputs_try , labels_try = inputs_try.to(device), labels_try.to(device)
- model_vgg = model_vgg.to(device)
- outputs_try = model_vgg(inputs_try)
- print(outputs_try)
- print(outputs_try.shape)
- '''
- 可以看到结果为5行,1000列的数据,每一列代表对每一种目标识别的结果。
- 但是我也可以观察到,结果非常奇葩,有负数,有正数,
- 为了将VGG网络输出的结果转化为对每一类的预测概率,我们把结果输入到 Softmax 函数
- '''
- m_softm = nn.Softmax(dim=1)
- probs = m_softm(outputs_try)
- vals_try,pred_try = torch.max(probs,dim=1)
- print( 'prob sum: ', torch.sum(probs,1))
- print( 'vals_try: ', vals_try)
- print( 'pred_try: ', pred_try)
- print([dic_imagenet[i] for i in pred_try.data])
- imshow(torchvision.utils.make_grid(inputs_try.data.cpu()),
- title=[dset_classes[x] for x in labels_try.data.cpu()])
4. 修改最后一层,冻结前面层的参数
- print(model_vgg)
- model_vgg_new = model_vgg;
- for param in model_vgg_new.parameters():
- param.requires_grad = False
- model_vgg_new.classifier._modules['6'] = nn.Linear(4096, 2)
- model_vgg_new.classifier._modules['7'] = torch.nn.LogSoftmax(dim = 1)
- model_vgg_new = model_vgg_new.to(device)
- print(model_vgg_new.classifier)
5. 训练并测试全连接层
包括三个步骤:第1步,创建损失函数和优化器;第2步,训练模型;第3步,测试模型。
- '''
- 第一步:创建损失函数和优化器
- 损失函数 NLLLoss() 的 输入 是一个对数概率向量和一个目标标签.
- 它不会为我们计算对数概率,适合最后一层是log_softmax()的网络.
- '''
- criterion = nn.NLLLoss()
- # 学习率
- lr = 0.001
- # 随机梯度下降
- optimizer_vgg = torch.optim.SGD(model_vgg_new.classifier[6].parameters(),lr = lr)
- '''
- 第二步:训练模型
- '''
- def train_model(model,dataloader,size,epochs=1,optimizer=None):
- model.train()
- for epoch in range(epochs):
- running_loss = 0.0
- running_corrects = 0
- count = 0
- for inputs,classes in dataloader:
- inputs = inputs.to(device)
- classes = classes.to(device)
- outputs = model(inputs)
- loss = criterion(outputs,classes)
- optimizer = optimizer
- optimizer.zero_grad()
- loss.backward()
- optimizer.step()
- _,preds = torch.max(outputs.data,1)
- # statistics
- running_loss += loss.data.item()
- running_corrects += torch.sum(preds == classes.data)
- count += len(inputs)
- print('Training: No. ', count, ' process ... total: ', size)
- epoch_loss = running_loss / size
- epoch_acc = running_corrects.data.item() / size
- print('Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(
- epoch_loss, epoch_acc))
- # 模型训练
- train_model(model_vgg_new,loader_train,size=dset_sizes['train'], epochs=1,
- optimizer=optimizer_vgg)
- #验证模型正确率的代码
- def test_model(model,dataloader,size):
- model.eval()
- predictions = np.zeros(size)
- all_classes = np.zeros(size)
- all_proba = np.zeros((size,2))
- i = 0
- running_loss = 0.0
- running_corrects = 0
- for inputs,classes in dataloader:
- inputs = inputs.to(device)
- classes = classes.to(device)
- outputs = model(inputs)
- loss = criterion(outputs,classes)
- _,preds = torch.max(outputs.data,1)
- # statistics
- running_loss += loss.data.item()
- running_corrects += torch.sum(preds == classes.data)
- predictions[i:i+len(classes)] = preds.to('cpu').numpy()
- all_classes[i:i+len(classes)] = classes.to('cpu').numpy()
- all_proba[i:i+len(classes),:] = outputs.data.to('cpu').numpy()
- i += len(classes)
- print('validing: No. ', i, ' process ... total: ', size)
- epoch_loss = running_loss / size
- epoch_acc = running_corrects.data.item() / size
- print('Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(
- epoch_loss, epoch_acc))
- return predictions, all_proba, all_classes
- #predictions, all_proba, all_classes = test_model(model_vgg_new,loader_valid,size=dset_sizes['val'])
- #如果使用的是已有的模型,应该跑下面这行代码
- predictions, all_proba, all_classes = test_model(model_new,loader_valid,size=dset_sizes['val'])
- #这个是对测试集进行预测的代码
- def result_model(model,dataloader,size):
- model.eval()
- predictions=np.zeros((size,2),dtype='int')
- i = 0
- for inputs,classes in dataloader:
- inputs = inputs.to(device)
- outputs = model(inputs)
- #_表示的就是具体的value,preds表示下标,1表示在行上操作取最大值,返回类别
- _,preds = torch.max(outputs.data,1)
- predictions[i:i+len(classes),1] = preds.to('cpu').numpy();
- predictions[i:i+len(classes),0] = np.linspace(i,i+len(classes)-1,len(classes))
- #可在过程中看到部分结果
- print(predictions[i:i+len(classes),:])
- i += len(classes)
- print('creating: No. ', i, ' process ... total: ', size)
- return predictions
- result = result_model(model_vgg_new,loader_test,size=dset_sizes['test'])
- #如果使用的是已有的模型,应该跑下面这行代码
- result = result_model(model_new,loader_test,size=dset_sizes['test'])
- #这里是生成结果的文件,上传到AI研习社可以看到正确率
- np.savetxt("./cat_dog/result.csv",result,fmt="%d",delimiter=",")
6. 可视化模型预测结果(主观分析)
主观分析就是把预测的结果和相对应的测试图像输出出来看看,一般有四种方式:
随机查看一些预测正确的图片
随机查看一些预测错误的图片
预测正确,同时具有较大的probability的图片
预测错误,同时具有较大的probability的图片
最不确定的图片,比如说预测概率接近0.5的图片
- # 单次可视化显示的图片个数
- n_view = 8
- correct = np.where(predictions==all_classes)[0]
- from numpy.random import random, permutation
- idx = permutation(correct)[:n_view]
- print('random correct idx: ', idx)
- loader_correct = torch.utils.data.DataLoader([dsets['valid'][x] for x in idx],
- batch_size = n_view,shuffle=True)
- for data in loader_correct:
- inputs_cor,labels_cor = data
- # Make a grid from batch
- out = torchvision.utils.make_grid(inputs_cor)
- imshow(out, title=[l.item() for l in labels_cor])
- print(all_classes)
- # 类似的思路,可以显示错误分类的图片,这里不再重复代码
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