深度学习Week8-咖啡豆识别(Pytorch)
创始人
2024-02-16 11:55:00

目录

 一、前期准备

1.设置GPU

2. 导入数据

 3. 划分数据集

 二、手动搭建VGG-16模型

1. 搭建模型​编辑

2. 查看模型详情

 三、 训练模型

1. 编写训练函数

2. 编写测试函数

4. 正式训练

四、 结果可视化

1. Loss与Accuracy图

2. 指定图片进行预测

3. 模型评估

*五、优化模型

1.调整学习率和动态学习率


🍨 本文为[🔗365天深度学习训练营]中的学习记录博客
🍦 参考文章:Pytorch实战 | 第P7周:咖啡豆识别(训练营内部成员可读)
🍖 原作者:[K同学啊|接辅导、项目定制]

🍺 要求:

自己搭建VGG-16网络框架 √
调用官方的VGG-16网络框架 √
如何查看模型的参数量以及相关指标 √
🍻 拔高(可选):

验证集准确率达到100%
使用PPT画出VGG-16算法框架图(发论文需要这项技能)
🔎 探索(难度有点大)

在不影响准确率的前提下轻量化模型
● 目前VGG16的Total params是134,276,932
🏡 我的环境:
● 语言环境:Python 3.8
● 编译器:Pycharm
● 深度学习环境:Pytorch

 一、前期准备

1.设置GPU

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision
from torchvision import transforms, datasets
import os, PIL, pathlibdevice = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")print(device)

输出:cuda

2. 导入数据

data_dir = './49-data/'
data_dir = pathlib.Path(data_dir)data_paths = list(data_dir.glob('*'))
classeNames = [str(path).split("\\")[1] for path in data_paths]
print(classeNames)

['Dark', 'Green', 'Light', 'Medium']

图形变换,输出一下:用到torchvision.transforms.Compose()类,有兴趣的同学可以参考这篇博客:torchvision.transforms.Compose()详解【Pytorch手册】

train_transforms = transforms.Compose([transforms.Resize([224, 224]),  # 将输入图片resize成统一尺寸# transforms.RandomHorizontalFlip(), # 随机水平翻转transforms.ToTensor(),          # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor,并归一化到[0,1]之间transforms.Normalize(           # 标准化处理-->转换为标准正太分布(高斯分布),使模型更容易收敛mean=[0.485, 0.456, 0.406],std=[0.229, 0.224, 0.225])  # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。
])test_transform = transforms.Compose([transforms.Resize([224, 224]),  # 将输入图片resize成统一尺寸transforms.ToTensor(),          # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor,并归一化到[0,1]之间transforms.Normalize(           # 标准化处理-->转换为标准正太分布(高斯分布),使模型更容易收敛mean=[0.485, 0.456, 0.406],std=[0.229, 0.224, 0.225])  # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。
])total_data = datasets.ImageFolder("./49-data/",transform=train_transforms)
print(total_data.class_to_idx)

{'Dark': 0, 'Green': 1, 'Light': 2, 'Medium': 3}

 3. 划分数据集

因为不像week6有已经分好的训练集和测试集,所以这次要想以前那样,分为训练集和测试集.

train_size = int(0.8 * len(total_data))
test_size  = len(total_data) - train_size
train_dataset, test_dataset = torch.utils.data.random_split(total_data, [train_size, test_size])
batch_size = 32
train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,batch_size=batch_size,shuffle=True,num_workers=0)
test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset,batch_size=batch_size,shuffle=True,num_workers=0)
for X, y in test_dl:print("Shape of X [N, C, H, W]: ", X.shape)print("Shape of y: ", y.shape, y.dtype)break

Shape of X [N, C, H, W]:  torch.Size([32, 3, 224, 224])
Shape of y:  torch.Size([32]) torch.int64

 二、手动搭建VGG-16模型

1. 搭建模型

在这里插入图片描述

import torch.nn.functional as Fclass vgg16(nn.Module):def __init__(self):super(vgg16, self).__init__()# 卷积块1self.block1 = nn.Sequential(nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2)))# 卷积块2self.block2 = nn.Sequential(nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2)))# 卷积块3self.block3 = nn.Sequential(nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2)))# 卷积块4self.block4 = nn.Sequential(nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2)))# 卷积块5self.block5 = nn.Sequential(nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2)))# 全连接网络层,用于分类self.classifier = nn.Sequential(nn.Linear(in_features=512*7*7, out_features=4096),nn.ReLU(),nn.Linear(in_features=4096, out_features=4096),nn.ReLU(),nn.Linear(in_features=4096, out_features=4))def forward(self, x):x = self.block1(x)x = self.block2(x)x = self.block3(x)x = self.block4(x)x = self.block5(x)x = torch.flatten(x, start_dim=1)x = self.classifier(x)return xdevice = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print("Using {} device".format(device))model = vgg16().to(device)

2. 查看模型详情

统计模型参数量以及其他指标

import torchsummary as summary
summary.summary(model, (3, 224, 224))

 三、 训练模型

1. 编写训练函数

训练部分代码和之前cnn网络一样

# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):size = len(dataloader.dataset)  # 训练集的大小num_batches = len(dataloader)   # 批次数目, (size/batch_size,向上取整)train_loss, train_acc = 0, 0  # 初始化训练损失和正确率for X, y in dataloader:  # 获取图片及其标签X, y = X.to(device), y.to(device)# 计算预测误差pred = model(X)          # 网络输出loss = loss_fn(pred, y)  # 计算网络输出和真实值之间的差距,targets为真实值,计算二者差值即为损失# 反向传播optimizer.zero_grad()  # grad属性归零loss.backward()        # 反向传播optimizer.step()       # 每一步自动更新# 记录acc与losstrain_acc  += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()train_loss += loss.item()train_acc  /= sizetrain_loss /= num_batchesreturn train_acc, train_loss

2. 编写测试函数

训练函数和测试函数差别不大,但是由于不进行梯度下降对网络权重进行更新,所以不用优化器

(所以测试函数代码部分和之前几周一样)

def test (dataloader, model, loss_fn):size        = len(dataloader.dataset)  # 测试集的大小num_batches = len(dataloader)          # 批次数目test_loss, test_acc = 0, 0# 当不进行训练时,停止梯度更新,节省计算内存消耗with torch.no_grad():for imgs, target in dataloader:imgs, target = imgs.to(device), target.to(device)# 计算losstarget_pred = model(imgs)loss        = loss_fn(target_pred, target)test_loss += loss.item()test_acc  += (target_pred.argmax(1) == target).type(torch.float).sum().item()test_acc  /= sizetest_loss /= num_batchesreturn test_acc, test_loss

4. 正式训练

这里也设置了训练器,结合前几次实验经验,使用Adam模型

import copyoptimizer  = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr= 1e-4)
loss_fn    = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数epochs = 40train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []best_acc = 0  # 设置一个最佳准确率,作为最佳模型的判别指标for epoch in range(epochs):# 更新学习率(使用自定义学习率时使用)# adjust_learning_rate(optimizer, epoch, learn_rate)model.train()epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, optimizer)# scheduler.step() # 更新学习率(调用官方动态学习率接口时使用)model.eval()epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)# 保存最佳模型到 best_modelif epoch_test_acc > best_acc:best_acc = epoch_test_accbest_model = copy.deepcopy(model)train_acc.append(epoch_train_acc)train_loss.append(epoch_train_loss)test_acc.append(epoch_test_acc)test_loss.append(epoch_test_loss)# 获取当前的学习率lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%, Test_loss:{:.3f}, Lr:{:.2E}')print(template.format(epoch + 1, epoch_train_acc * 100, epoch_train_loss,epoch_test_acc * 100, epoch_test_loss, lr))# 保存最佳模型到文件中
PATH = './best_model.pth'  # 保存的参数文件名
torch.save(model.state_dict(), PATH)print('Done')

....

Epoch:38, Train_acc:96.7%, Train_loss:0.095, Test_acc:96.2%, Test_loss:0.099, Lr:1.00E-04
Epoch:39, Train_acc:96.0%, Train_loss:0.099, Test_acc:96.2%, Test_loss:0.112, Lr:1.00E-04
Epoch:40, Train_acc:96.5%, Train_loss:0.098, Test_acc:97.1%, Test_loss:0.091, Lr:1.00E-04
Done

四、 结果可视化

1. Loss与Accuracy图

import matplotlib.pyplot as plt
#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")               #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif']    = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False      # 用来正常显示负号
plt.rcParams['figure.dpi']         = 100        #分辨率epochs_range = range(epochs)plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

2. 指定图片进行预测

from PIL import Image
classes = list(total_data.class_to_idx)def predict_one_image(image_path, model, transform, classes):test_img = Image.open(image_path).convert('RGB')plt.imshow(test_img)  # 展示预测的图片test_img = transform(test_img)img = test_img.to(device).unsqueeze(0)model.eval()output = model(img)_, pred = torch.max(output, 1)pred_class = classes[pred]print(f'预测结果是:{pred_class}')# 预测训练集中的某张照片
predict_one_image(image_path='./49-data/Green/green (9).png',model=model,transform=train_transforms,classes=classes)

3. 模型评估

以往都是看看最后几轮得到准确率,但是跳动比较大就不太好找准确率最高的一回,所以我们用函数返回进行比较。

best_model.eval()
epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, best_model, loss_fn)
print(epoch_test_acc, epoch_test_loss)
print(epoch_test_acc)

*五、优化模型

1.调整学习率和动态学习率

以下调用的官方动态学习率接口(上周内容也有提到):

学习率就用一开始的1e-4

动态学习率也是用到上周提到的torch.optim.LambdaLR,调用自己定义的函数更新学习率(lr_lambda)

learn_rate = 1e-4 # 初始学习率
lambda1 = lambda epoch: 0.92 ** (epoch // 10)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learn_rate)
scheduler = torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lambda1)

结果98%左右...

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