【小白学PyTorch】8 实战之MNIST小试牛刀

文章来自微信公众号【机器学习炼丹术】。有什么问题都可以咨询作者WX：cyx645016617。想交个朋友占一个好友位也是可以的~好友位快满了不过。

在这个文章中，主要是来做一下MNIST手写数字集的分类任务。这是一个基础的、经典的分类任务。建议大家一定要跟着代码做一做，源码已经上传到公众号。

1 探索性数据分析

一般在进行模型训练之前，都要做一个数据集分析的任务。这个在英文中一般缩写为EDA,也就是Exploring Data Analysis(好像是这个)。

数据集获取方面，这里本来是要使用之前课程提到的torchvision.datasets.MNIST()，但是考虑到这个torchvision提供的MNIST完整下载下来需要200M的大小，所以我就直接提供了MNIST的数据的CSV文件（包含train.csv和test.csv）,大小压缩成.zip之后只有14M，代码就基于了这个数据文件。

1.1 数据集基本信息

import pandas as pd
# 读取训练集
train_df = pd.read_csv('./MNIST_csv/train.csv')
n_train = len(train_df)
n_pixels = len(train_df.columns) - 1
n_class = len(set(train_df['label']))
print('Number of training samples: {0}'.format(n_train))
print('Number of training pixels: {0}'.format(n_pixels))
print('Number of classes: {0}'.format(n_class))

# 读取测试集
test_df = pd.read_csv('./MNIST_csv/test.csv')
n_test = len(test_df)
n_pixels = len(test_df.columns)
print('Number of test samples: {0}'.format(n_test))
print('Number of test pixels: {0}'.format(n_pixels))

输出结果：

训练集有42000个图片，每个图片有784个像素（所以变成图片的话需要将784的像素变成$28\times 28$）,样本总共有10个类别，也就是0到9。测试集中有28000个样本。

1.2 数据集可视化

# 展示一些图片
import numpy as np
from torchvision.utils import make_grid
import torch
import matplotlib.pyplot as plt
random_sel = np.random.randint(len(train_df), size=8)
data = (train_df.iloc[random_sel,1:].values.reshape(-1,1,28,28)/255.)

grid = make_grid(torch.Tensor(data), nrow=8)
plt.rcParams['figure.figsize'] = (16, 2)
plt.imshow(grid.numpy().transpose((1,2,0)))
plt.axis('off')
plt.show()
print(*list(train_df.iloc[random_sel, 0].values), sep = ', ')

输出结果有一个图片：

以及一行打印：

随机挑选了8个样本进行可视化，然后打印出来的是样本对应的标签值。

1.3 类别是否均衡

然后我们需要检查一下训练样本中类别是否均衡，利用直方图来检查：

# 检查类别是否不均衡
plt.figure(figsize=(8,5))
plt.bar(train_df['label'].value_counts().index, train_df['label'].value_counts())
plt.xticks(np.arange(n_class))
plt.xlabel('Class', fontsize=16)
plt.ylabel('Count', fontsize=16)
plt.grid('on', axis='y')
plt.show()

输出图像：

基本没毛病，是均衡的。

2 训练与推理

2.1 构建dataset

我们可以重新写一个python脚本，首先还是导入库和读取文件：

import pandas as pd
train_df = pd.read_csv('./MNIST_csv/train.csv')
test_df = pd.read_csv('./MNIST_csv/test.csv')
n_train = len(train_df)
n_test = len(test_df)
n_pixels = len(train_df.columns) - 1
n_class = len(set(train_df['label']))

然后构建一个Dataset,Dataset和Dataloader的知识前面的课程已经讲过了，这里直接构建一个：

import torch
from torch.utils.data import Dataset,DataLoader
from torchvision import transforms

class MNIST_data(Dataset):
    def __init__(self, file_path,
                 transform=transforms.Compose([transforms.ToPILImage(), transforms.ToTensor(),
                                               transforms.Normalize(mean=(0.5,), std=(0.5,))])
                 ):
        df = pd.read_csv(file_path)
        if len(df.columns) == n_pixels:
            # test data
            self.X = df.values.reshape((-1, 28, 28)).astype(np.uint8)[:, :, :, None]
            self.y = None
        else:
            # training data
            self.X = df.iloc[:, 1:].values.reshape((-1, 28, 28)).astype(np.uint8)[:, :, :, None]
            self.y = torch.from_numpy(df.iloc[:, 0].values)
        self.transform = transform

    def __len__(self):
        return len(self.X)

    def __getitem__(self, idx):
        if self.y is not None:
            return self.transform(self.X[idx]), self.y[idx]
        else:
            return self.transform(self.X[idx])

可以看到，这个dataset中，根据是否有标签分成返回两个不同的值。（训练集的话，同时返回数据和标签，测试集中仅仅返回数据）。

batch_size = 64

train_dataset = MNIST_data('./MNIST_csv/train.csv',
                           transform= transforms.Compose([
                            transforms.ToPILImage(),
                            transforms.RandomRotation(degrees=20),
                            transforms.ToTensor(),
                            transforms.Normalize(mean=(0.5,), std=(0.5,))]))
test_dataset = MNIST_data('./MNIST_csv/test.csv')

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset,
                                           batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset,
                                           batch_size=batch_size, shuffle=False)

关于这段代码：

• 构建了一个train的dataset和test的dataset，然后再分别构建对应的dataloader
• train_dataset中使用了随机旋转，因为这个函数是作用在PIL图片上的，所以需要将数据先转成PIL再进行旋转，然后转成Tensor做标准化，这里标准化就随便选取了0.5，有需要的可以做进一步的更改。
• 需要注意的是，转成PIL之前的数据是numpy的格式，所以数据应该是$W\times H\times C$的形式，因为这里是单通道图像，所以数据的shape为：（72000，28，28，1）.（72000为样本数量）
• 像是旋转、缩放等图像增强方法在训练集中才会使用，这是增强模型训练难度的操作，让模型增加鲁棒性；在测试集中常规情况是不使用旋转、缩放这样的图像增强方法的。（训练阶段是让模型学到内容，测试阶段主要目的是提高预测的准确度，这句话感觉是废话。。。）

2.2 构建模型类

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

        self.features1 = nn.Conv2d(1, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        self.features = nn.Sequential(
            nn.BatchNorm2d(32),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(32, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(32),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=3, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        )

        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(64 * 7 * 7, 512),
            nn.BatchNorm1d(512),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(512, 512),
            nn.BatchNorm1d(512),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(512, 10),
        )

        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d) or isinstance(m, nn.Linear):
                nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()

    def forward(self, x):
        x = self.features1(x)
        x = self.features(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.classifier(x)
        return x

这个模型类整体来看中规中矩，都是之前讲到的方法。小测试：还记得xavier初始化时怎么回事吗？xavier初始化方法是一个非常常用的方法，在之前的文章中也详细的推导了这个。

之后呢，我们对模型实例化，然后给模型的参数传到优化器中，然后设置一个学习率衰减的策略，学习率衰减就是训练的epoch越多，学习率就越低的这样一个方法，在后面的文章中会详细讲述 。

import torch.optim as optim

device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
model = Net().to(device)
# model = torchvision.models.resnet50(pretrained=True).to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.003)
criterion = nn.CrossEntropyLoss().to(device)
exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=7, gamma=0.1)
print(model)

运行结果自然是把整个模型打印出来了：

Net(
  (features1): Conv2d(1, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
  (features): Sequential(
    (0): BatchNorm2d(32, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (1): ReLU(inplace=True)
    (2): Conv2d(32, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (3): BatchNorm2d(32, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (4): ReLU(inplace=True)
    (5): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
    (6): Conv2d(32, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (7): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (8): ReLU(inplace=True)
    (9): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (10): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (11): ReLU(inplace=True)
    (12): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  )
  (classifier): Sequential(
    (0): Dropout(p=0.5, inplace=False)
    (1): Linear(in_features=3136, out_features=512, bias=True)
    (2): BatchNorm1d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (3): ReLU(inplace=True)
    (4): Dropout(p=0.5, inplace=False)
    (5): Linear(in_features=512, out_features=512, bias=True)
    (6): BatchNorm1d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (7): ReLU(inplace=True)
    (8): Dropout(p=0.5, inplace=False)
    (9): Linear(in_features=512, out_features=10, bias=True)
  )
)

2.3 训练模型

def train(epoch):
    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        # 读入数据
        data = data.to(device)
        target = target.to(device)
        # 计算模型预测结果和损失
        output = model(data)
        loss = criterion(output, target)

        optimizer.zero_grad() # 计算图梯度清零
        loss.backward() # 损失反向传播
        optimizer.step()# 然后更新参数
        if (batch_idx + 1) % 50 == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, (batch_idx + 1) * len(data), len(train_loader.dataset),
                       100. * (batch_idx + 1) / len(train_loader), loss.item()))
               
    exp_lr_scheduler.step()

先定义了一个训练一个epoch的函数，然后下面是训练10个epoch的主函数代码。

log = [] # 记录一下loss的变化情况
n_epochs = 2
for epoch in range(n_epochs):
    train(epoch)

# 把log化成折线图
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(log)
plt.show()

注意注意，这时候会报一个错误，我们来看一下,我详细标注了我个人看报错时候的一个习惯：

这时候我大概可以猜到，因为我们这个图片是灰度图片，是单通道的，可能这个RandomRotate函数要求输入图片是3个通道的（这个官方API上也没有细说），怎么办呢？完全可以直接在转成PIL格式之前，把numpy的那个(72000,28,28,1)复制第四维度，变成（72000，28，28，3）.但是这里我想用上一节课教的一个方法torchvision.transforms.GrayScale(num_output_channels), 活学活用嘛.

所以把train_dataset那一块改成：

train_dataset = MNIST_data('./MNIST_csv/train.csv',
                           transform= transforms.Compose([
                            transforms.ToPILImage(),
                            transforms.Grayscale(num_output_channels=3),
                            transforms.RandomRotation(degrees=20),
                            transforms.ToTensor(),
                            transforms.Normalize(mean=(0.5,), std=(0.5,))]))
test_dataset = MNIST_data('./MNIST_csv/test.csv',
                          transform=transforms.Compose([
                              transforms.ToPILImage(),
                              transforms.Grayscale(num_output_channels=3),
                              transforms.ToTensor(),
                              transforms.Normalize(mean=(0.5,), std=(0.5,))]))

然后不要忘记把模型类中的第一个卷积层的输入通道改成3哦~

# self.features1 = nn.Conv2d(1, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
self.features1 = nn.Conv2d(3, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1)

然后重新运行代码，发现可以正常训练了，打印输出的部分截图如下：

然后看一下损失下降的情况,算是收敛了，训练的epoch更多应该会更好：

发现训练是收敛的。这里需要注意的是，现在用全部的数据进行训练，没有使用验证集的做法，是有可能过拟合情况出现的（但是这里只是训练了10个epoch应该不会过拟合），更稳妥的做法是把数据分成训练集和验证机（可以是2:1,3:1,4:1）都可以，4:1比较常用，这也就是n-fold的方法。 在之后的学习中会详细介绍这个，不过这个知识点也不难，也可以自行查阅。

2.4 推理预测

def prediciton(data_loader):
    model.eval()
    test_pred = torch.LongTensor()

    for i, data in enumerate(data_loader):
        data = data.to(device)
        output = model(data)
        pred = output.cpu().data.max(1, keepdim=True)[1]
        test_pred = torch.cat((test_pred, pred), dim=0)
    return test_pred

test_pred = prediciton(test_loader)

类似trian，写一个预测的函数，返回预测的值。然后像是在EDA中那样，抽取测试集的8个数字，看看图像和预测结果的匹配情况

from torchvision.utils import make_grid
random_sel = np.random.randint(len(test_df), size=8)
data = (test_df.iloc[random_sel,:].values.reshape(-1,1,28,28)/255.)

grid = make_grid(torch.Tensor(data), nrow=8)
plt.rcParams['figure.figsize'] = (16, 2)
plt.imshow(grid.numpy().transpose((1,2,0)))
plt.axis('off')
plt.show()
print(*list(test_pred[random_sel].numpy()), sep = ', ')

输出图像是：

打印输出：

OK了，恭喜你，完成了MNIST手写数字集的分类。