从“菜菜学paddle第二篇”文章中,我们看到使用全连接网络构建的手写数字识别模型的准确率不高,今天就通过搭建卷积神经网络来构建手写数字识别,看看它的准确率。
对于计算机视觉问题,效果最好的模型仍然是卷积神经网络。卷积神经网络针对视觉问题的特点进行了网络结构优化,可以直接处理原始形式的图像数据,保留像素间的空间信息,因此更适合处理视觉问题。
1、新建文件: CNN.py
import paddle
from paddle.nn import Conv2D, MaxPool2D, Linear
import paddle.nn.functional as F
import gzip
import json
import random
import numpy as np
# 定义数据集读取器
def load_data(mode='train'):
# 加载数据
datafile = './../work/mnist.json.gz'
print('loading mnist dataset from {} ......'.format(datafile))
data = json.load(gzip.open(datafile))
print('mnist dataset load done')
# 读取到的数据区分训练集,验证集,测试集
train_set, val_set, eval_set = data
# 数据集相关参数,图片高度IMG_ROWS, 图片宽度IMG_COLS
IMG_ROWS = 28
IMG_COLS = 28
if mode == 'train':
# 获得训练数据集
imgs, labels = train_set[0], train_set[1]
elif mode == 'valid':
# 获得验证数据集
imgs, labels = val_set[0], val_set[1]
elif mode == 'eval':
# 获得测试数据集
imgs, labels = eval_set[0], eval_set[1]
else:
raise Exception("mode can only be one of ['train', 'valid', 'eval']")
#校验数据
imgs_length = len(imgs)
assert len(imgs) == len(labels), \
"length of train_imgs({}) should be the same as train_labels({})".format(
len(imgs), len(labels))
# 定义数据集每个数据的序号, 根据序号读取数据
index_list = list(range(imgs_length))
# 读入数据时用到的batchsize
BATCHSIZE = 100
# 定义数据生成器
def data_generator():
if mode == 'train':
random.shuffle(index_list)
imgs_list = []
labels_list = []
for i in index_list:
img = np.reshape(imgs[i], [1, IMG_ROWS, IMG_COLS]).astype('float32')
label = np.reshape(labels[i], [1]).astype('float32')
imgs_list.append(img)
labels_list.append(label)
if len(imgs_list) == BATCHSIZE:
yield np.array(imgs_list), np.array(labels_list)
imgs_list = []
labels_list = []
# 如果剩余数据的数目小于BATCHSIZE,
# 则剩余数据一起构成一个大小为len(imgs_list)的mini-batch
if len(imgs_list) > 0:
yield np.array(imgs_list), np.array(labels_list)
return data_generator
2、需要注意的点是下面两行代码:
img = np.reshape(imgs[i], [1, IMG_ROWS, IMG_COLS]).astype('float32') label = np.reshape(labels[i], [1]).astype('float32')
因为Conv2D的入参的数据形式[batch_size, 1, hight, width],其中第二维代表图像的通道数(在MNIST数据集中每张图片的通道数为1,传统RGB图片通道数为3)。
1、在(一)新建的文件CNN.py里面继续添加模型代码:
class MNIST(paddle.nn.Layer):
def __init__(self):
super(MNIST, self).__init__()
#二维卷积层
self.conv1 = Conv2D(in_channels=1,out_channels=20,kernel_size=5,stride=1,padding=2)
#最大池化层
self.max_pool1 = MaxPool2D(kernel_size=2,stride=2)
#二维卷积层
self.conv2 = Conv2D(in_channels=20, out_channels=20,kernel_size=5,stride=1,padding=2)
#最大池化层
self.max_pool2 = MaxPool2D(kernel_size=2,stride=2)
#全连接层
self.fc = Linear(in_features=980,out_features=1)
def forward(self, input):
x = self.conv1(input)
x = F.relu(x)
x = self.max_pool1(x)
x = self.conv2(x)
x = F.relu(x)
x = self.max_pool2(x)
x = paddle.reshape(x, [x.shape[0], -1])
x = self.fc(x)
return x
2、模型定义了两个隐层,每个隐层包含一个卷积层和一个池化层
3、激活函数使用relu
1、新建文件:CNNTrain.py
from CNN import load_data,MNIST
import paddle
import paddle.nn.functional as F
def train(model):
model.train()
#调用加载数据的函数,获得MNIST训练数据集
train_loader = load_data('train')
# 使用SGD优化器,学习率设置为0.01
opt = paddle.optimizer.SGD(learning_rate=0.01, parameters=model.parameters())
# 训练10轮
EPOCH_NUM = 10
loss_list = []
for epoch_id in range(EPOCH_NUM):
for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
#准备数据
images, labels = data
images = paddle.to_tensor(images)
labels = paddle.to_tensor(labels)
#前向计算的过程
predicts = model(images)
#计算损失,取一个批次样本损失的平均值
loss = F.square_error_cost(predicts, labels)
avg_loss = paddle.mean(loss)
#每训练200批次的数据,打印下当前Loss的情况
if batch_id % 200 == 0:
loss = avg_loss.numpy()[0]
loss_list.append(loss)
print("epoch: {}, batch: {}, loss is: {}".format(epoch_id, batch_id, loss))
#后向传播,更新参数的过程
avg_loss.backward()
# 最小化loss,更新参数
opt.step()
# 清除梯度
opt.clear_grad()
#保存模型参数
paddle.save(model.state_dict(), 'mnist.pdparams')
return loss_list
model = MNIST()
train(model)
1、新建文件CNNEval.py:
import paddle
from CNN import MNIST
from CNN import load_data
model = MNIST()
params_file_path = 'mnist.pdparams'
# 加载模型参数
param_dict = paddle.load(params_file_path)
model.load_dict(param_dict)
# 定义预测过程
model.eval()
# 加载测试集
test_loader = load_data('eval')
success = 0
error = 0
for batch_id, data in enumerate(test_loader()):
images, labels = data
images = paddle.to_tensor(images)
results = model(images)
results = results.numpy().astype('int32')
labels = labels.astype('int32')
for i in range(0,100):
label = labels[i][0]
result = results[i][0]
if (label == result) :
success = success + 1
else:
error = error + 1
# 预测输出取整,即为预测的数字,打印结果
print("本次预测的正确的数量是{}, 错误的数量是{}".format(success, error))
2、预测结果如下:
loading mnist dataset from ./../work/mnist.json.gz ......
mnist dataset load done
本次预测的正确的数量是982, 错误的数量是9018
1、简单的卷积神经网络并没有提高预测的准确性
2、在训练的过程中,偶尔会出现损失值不下降的问题,输出的结果是nan,只能重新训练
3、训练耗费的资源要比前面的模型多了很多倍,我的笔记本直接卡住了。
4、准确率不高怎么办呢?调整一下池化层?替换损失函数?更换优化器?