使用pytorch完成kaggle猫狗图像识别

kaggle是一个为开发商和数据科学家提供举办机器学习竞赛、托管数据库、编写和分享代码的平台，在这上面有非常多的好项目、好资源可供机器学习、深度学习爱好者学习之用。碰巧最近入门了一门非常的深度学习框架：pytorch（如果你对pytorch不甚了解，请点击这里），所以今天我和大家一起用pytorch实现一个图像识别领域的入门项目：猫狗图像识别。

深度学习的基础就是数据，咱们先从数据谈起。此次使用的猫狗分类图像一共25000张，猫狗分别有12500张，我们先来简单的瞅瞅都是一些什么图片。

我们从下载文件里可以看到有两个文件夹：train和test，分别用于训练和测试。以train为例，打开文件夹可以看到非常多的小猫图片，图片名字从

0.jpg一直编码到9999.jpg，一共有10000张图片用于训练。而test中的小猫只有2500张。仔细看小猫，可以发现它们姿态不一，有的站着，有的眯着眼

睛，有的甚至和其他可识别物体比如桶、人混在一起。同时，小猫们的图片尺寸也不一致，有的是竖放的长方形，有的是横放的长方形，但我们最终需

要是合理尺寸的正方形。小狗的图片也类似，在这里就不重复了。

紧接着我们了解一下特别适用于图像识别领域的神经网络：卷积神经网络。学习过神经网络的同学可能或多或少地听说过卷积神经网络。这是一

种典型的多层神经网络，擅长处理图像特别是大图像的相关机器学习问题。卷积神经网络通过一系列的方法，成功地将大数据量的图像识别问题不断

降维，最终使其能够被训练。CNN最早由Yann LeCun提出并应用在手写体识别上。一个典型的CNN网络架构如下：

这是一个典型的CNN架构，由卷基层、池化层、全连接层组合而成。其中卷基层与池化层配合，组成多个卷积组，逐层提取特征，最终完成分类。

听到上述一连串的术语如果你有点蒙了，也别怕，因为这些复杂、抽象的技术都已经在pytorch中一一实现，我们要做的不过是正确的调用相关函数，

我在粘贴代码后都会做更详细、易懂的解释。

import os
import shutil
import torch
import collections
from torchvision import transforms,datasets
from __future__ import print_function, division
import os
import torch
import pylab
import pandas as pd
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.autograd import Variable
from skimage import io, transform
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
from torchvision import transforms, utils

# Ignore warnings
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")

plt.ion()   # interactive mode

　　

一个正常的CNN项目所需要的库还是蛮多的。

import math
from PIL import Image

class Resize(object):
    """Resize the input PIL Image to the given size.
    Args:
        size (sequence or int): Desired output size. If size is a sequence like
            (h, w), output size will be matched to this. If size is an int,
            smaller edge of the image will be matched to this number.
            i.e, if height > width, then image will be rescaled to
            (size * height / width, size)
        interpolation (int, optional): Desired interpolation. Default is
            ``PIL.Image.BILINEAR``
    """

    def __init__(self, size, interpolation=Image.BILINEAR):
        # assert isinstance(size, int) or (isinstance(size, collections.Iterable) and len(size) == 2)
        self.size = size
        self.interpolation = interpolation

    def __call__(self, img):
        w,h = img.size

        min_edge = min(img.size)
        rate = min_edge / self.size

        new_w = math.ceil(w / rate)
        new_h = math.ceil(h / rate)

        return img.resize((new_w,new_h))

　　

这个称为Resize的库用于给图像进行缩放操作，本来是不需要亲自定义的，因为transforms.Resize已经实现这个功能了，但是由于目前还未知的原因，
我的库里没有提供这个函数，所以我需要亲自实现用来代替transforms.Resize。如果你的torch里面已经有了这个Resize函数就不用像我这样了。

data_transform = transforms.Compose([
    Resize(84),
    transforms.CenterCrop(84),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(mean = [0.5,0.5,0.5],std = [0.5,0.5,0.5])
])

train_dataset = datasets.ImageFolder(root = 'train/',transform = data_transform)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,batch_size = 4,shuffle = True,num_workers = 4)

test_dataset = datasets.ImageFolder(root = 'test/',transform = data_transform)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset,batch_size = 4,shuffle = True,num_workers = 4)

　　

transforms是一个提供针对数据（这里指的是图像）进行转化的操作库，Resize就是上上段代码提供的那个类，主要用于把一张图片缩放到某个尺寸，
在这里我们把需求暂定为要把图像缩放到84 x 84这个级别，这个就是可供调整的参数，大家为部署好项目以后可以试着修改这个参数，比如改成

200 x 200,你就发现你可以去玩一盘游戏了~_~。CenterCrop用于从中心裁剪图片，目标是一个长宽都为84的正方形，方便后续的计算。ToTenser()

就比较重要了，这个函数的目的就是读取图片像素并且转化为0-1的数字。Normalize作为垫底的一步也很关键，主要用于把图片数据集的数值转化为

标准差和均值都为0.5的数据集，这样数据值就从原来的0到1转变为-1到1。

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net,self).__init__()

        self.conv1 = nn.Conv2d(3,6,5)
        self.pool = nn.MaxPool2d(2,2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6,16,5)
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 18 * 18,800)
        self.fc2 = nn.Linear(800,120)
        self.fc3 = nn.Linear(120,2)

    def forward(self,x):
        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1,16 * 18 * 18)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)

        return x

net = Net()

　　

好了，最复杂的一步就是这里了。在这里，我们首先定义了一个Net类，它封装了所以训练的步骤，包括卷积、池化、激活以及全连接操作。
 __init__函数首先定义了所需要的所有函数，这些函数都会在forward中调用。我们从conv1说起。conv1实际上就是定义一个卷积层，3,6,5分别是

什么意思？3代表的是输入图像的像素数组的层数，一般来说就是你输入的图像的通道数，比如这里使用的小猫图像都是彩色图像，由R、G、B三个通

道组成，所以数值为3；6代表的是我们希望进行6次卷积，每一次卷积都能生成不同的特征映射数组，用于提取小猫和小狗的6种特征。每一个特征映

射结果最终都会被堆叠在一起形成一个图像输出，再作为下一步的输入；5就是过滤框架的尺寸，表示我们希望用一个5 * 5的矩阵去和图像中相同尺寸

的矩阵进行点乘再相加，形成一个值。定义好了卷基层，我们接着定义池化层。池化层所做的事说来简单，其实就是因为大图片生成的像素矩阵实在太

大了，我们需要用一个合理的方法在降维的同时又不失去物体特征，所以深度学习学者们想出了一个称为池化的技术，说白了就是从左上角开始，每四

个元素(2 * 2)合并成一个元素，用这一个元素去代表四个元素的值，所以图像体积一下子降为原来的四分之一。再往下一行，我们又一次碰见了一个卷

基层：conv2,和conv1一样，它的输入也是一个多层像素数组，输出也是一个多层像素数组，不同的是这一次完成的计算量更大了，我们看这里面的参

数分别是6，16，5。之所以为6是因为conv1的输出层数为6，所以这里输入的层数就是6；16代表conv2的输出层数，和conv1一样，16代表着这一次卷

积操作将会学习小猫小狗的16种映射特征，特征越多理论上能学习的效果就越好，大家可以尝试一下别的值，看看效果是否真的编变好。conv2使用的

过滤框尺寸和conv1一样，所以不再重复。最后三行代码都是用于定义全连接网络的，接触过神经网络的应该就不再陌生了，主要是需要解释一下fc1。

之前在学习的时候比较不理解的也是这一行，为什么是16 * 18 * 18呢？16很好理解，因为最后一次卷积生成的图像矩阵的高度就是16层，那18 * 18是

怎么来的呢？我们回过头去看一行代码

transforms.CenterCrop(84)

　　

在这行代码里我们把训练图像裁剪成一个84 * 84的正方形尺寸，所以图像最早输入就是一个3 * 84 * 84的数组。经过第一次5 * 5的卷积之后，

我们可以得出卷积的结果是一个6 * 80 * 80的矩阵，这里的80就是因为我们使用了一个5 * 5的过滤框，当它从左上角第一个元素开始卷积后，

过滤框的中心是从2到78，并不是从0到79，所以结果就是一个80 * 80的图像了。经过一个池化层之后，图像尺寸的宽和高都分别缩小到原来的

1/2，所以变成40 * 40。紧接着又进行了一次卷积，和上一次一样，长宽都减掉4，变成36 * 36，然后应用了最后一层的池化，最终尺寸就是

18 * 18。所以第一层全连接层的输入数据的尺寸是16 * 18 * 18。三个全连接层所做的事很类似，就是不断训练，最后输出一个二分类数值。

net类的forward函数表示前向计算的整个过程。forward接受一个input，返回一个网络输出值，中间的过程就是一个调用init函数中定义的层的过程。

F.relu是一个激活函数，把所有的非零值转化成零值。此次图像识别的最后关键一步就是真正的循环训练操作。

import torch.optim as optim

cirterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(),lr = 0.0001,momentum = 0.9)

for epoch in range(3):
    running_loss = 0.0

    for i,data in enumerate(train_loader,0):
        inputs,labels = data
        inputs,labels = Variable(inputs),Variable(labels)
        optimizer.zero_grad()
        outputs = net(inputs)
        loss = cirterion(outputs,labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        running_loss += loss.data[0]

        if i % 2000 == 1999:
            print('[%d %5d] loss: %.3f' % (epoch + 1,i + 1,running_loss / 2000))
            running_loss = 0.0

print('finished training!')

　　

[1  2000] loss: 0.691
[1  4000] loss: 0.687
[2  2000] loss: 0.671
[2  4000] loss: 0.657
[3  2000] loss: 0.628
[3  4000] loss: 0.626
finished training!

　　

在这里我们进行了三次训练，每次训练都是批量获取train_loader中的训练数据、梯度清零、计算输出值、计算误差、反向传播并修正模型。我们以每

2000次计算的平均误差作为观察值。可以看到每次训练，误差值都在不断变小，逐渐学习如何分类图像。代码相对性易懂，这里就不再赘述了。

correct = 0
total = 0

for data in test_loader:
    images,labels = data
    outputs = net(Variable(images))
    _,predicted = torch.max(outputs.data,1)
    total += labels.size(0)
    correct += (predicted == labels).sum()

print('Accuracy of the network on the 5000 test images: %d %%' % (100 * correct / total))

　　

终于来到模型准确度验证了，这也是开篇提到的test文件夹的用途之所在。程序到这一步时，net是一个已经训练好的神经网络了。传入一个
images矩阵，它会输出相应的分类值，我们拿到这个分类值与真实值做一个比较计算，就可以获得准确率。在我的计算机上当前准确率是66%，

在你的机器上可能值有所不同但不会相差太大。

最后我们做一个小总结。在pytorch中实现CNN其实并不复杂，理论性的底层都已经完成封装，我们只需要调用正确的函数即可。当前模型中的

各个参数都没有达到相对完美的状态，有兴趣的小伙伴可以多调整参数跑几次，训练结果不出意外会越来越好。另外，由于在一篇文章中既要

阐述CNN，又要贴项目代码会显得没有重点，我就没有两件事同时做，因为网上已经有很多很好的解释CNN的文章了，如果看了代码依然是满头

雾水的小伙伴可以先去搜关于CNN的文章，再回过头来看项目代码应该会更加清晰。第一次写关于自己的神经网络方面的文章，如有写得不好的

附另外一个:

https://blog.csdn.net/weixin_41278720/article/details/80546535