9.图片分类数据集

1. 图像分类数据集

MNIST数据集 [LeCun et al., 1998] 是图像分类中广泛使用的数据集之一，但作为基准数据集过于简单。 我们将使用类似但更复杂的Fashion-MNIST数据集。

%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch.utils import data
from torchvision import transforms
from d2l import torch as d2l

d2l.use_svg_display()

2. 读取数据集

通过框架中的内置函数将Fashion-MNIST数据集下载并读取到内存中

# 通过ToTensor 实例将图像数据从PIL类型变换成32位浮点数格式
# 并除以255使得所有像素的数值均在0～1之间

trans = transforms.ToTensor()  # 把图片转成pytorch的tensor，做一个简单的预处理

# 从torchvision.datasets中把FashionMNIST拿到，下载到上一级目录的data下面
# train = True 表示的是：下载的是训练数据集
# transform=trans 表示数据集拿出来之后，要得到的是pytorch的tensor，而不是一堆图片
# download=True 默认从网上下载，如果不方便的话，可以事先下载好存在data文件夹下面
mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="./data",train = True,
                                               transform=trans,
                                               download=True)
# 测试数据集，用来验证模型好坏的数据集，不参与训练
mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(root="./data",train=False,
                                              transform=trans,download=True)

len(mnist_train),len(mnist_test)

下载成功会显示：

读取第一张图片：

# mnist_train[i][0]表示第i个样本的图片信息，mnist_train[i][1]表示第i个样本的标签值
mnist_train[0][0].shape # 第一张图片的形状,是一个黑白图片
# rgb的channel数=1，单通道，长和宽都是28

Fashion-MNIST中包含的10个类别，分别为t-shirt（T恤）、trouser（裤子）、pullover（套衫）、dress（连衣裙）、coat（外套）、sandal（凉鞋）、shirt（衬衫）、sneaker（运动鞋）、bag（包）和ankle boot（短靴）。 以下函数用于在数字标签索引及其文本名称之间进行转换。

def get_fashion_mnist_labels(labels):
    '''返回Fashion-MNIST数据集的文本标签'''
    text_labels = [
        't-shirt','trouser','pullover','dress','coat','sandal',
        'shirt', 'sneaker', 'bag', 'ankle boot']
    return [text_balels[int(i)] for i in labels]

创建一个函数来可视化这些样本:

def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5):  #@save
    """绘制图像列表"""
    # 设置图片大小
    figsize = (num_cols * scale, num_rows * scale) # tuple类型
    # _表示忽略不使用的变量，即fig
    _, axes = d2l.plt.subplots(num_rows, num_cols, figsize=figsize)
    axes = axes.flatten()
    for i, (ax, img) in enumerate(zip(axes, imgs)):
        if torch.is_tensor(img):
            # 图片张量
            ax.imshow(img.numpy())
        else:
            # PIL图片
            ax.imshow(img)
        # 取消横纵坐标上的刻度
        ax.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        ax.axes.get_yaxis().set_visible(False)
        if titles:
        # 设置标题
            ax.set_title(titles[i])
    return axes

以下是训练数据集中前几个样本的图像及其相应的标签.

# 通过DataLoader函数从训练数据集中拿到第一个小批量，批量大小为18的数据
X,y = next(iter(data.DataLoader(mnist_train,batch_size=18)))
show_images(X.reshape(18,28,28),2,9,titles=get_fashion_mnist_labels(y))

3. 读取小批量

batch_size = 256

# 每一次读取数据不容易，需要使用多个进程来进行数据的读取，操作以及预读取
def get_dataloader_workers():
    '''使用4个进程来读取的数据'''
    return 4

train_iter = data.DataLoader(mnist_train,batch_size,shuffle = True,
                            num_workers = get_dataloader_workers())

timer = d2l.Timer() # 定义Timer函数来测试速度
for X,y in train_iter:
    continue
f'{timer.stop():.2f} sec'

运行结果如下，可以看到扫一遍数据要4.25秒：

有时候会碰到模型训练很快，但是数据读不过来，通常来说，会在训练之前，去看一下数据读取多快。读取数据的时间至少要比训练要快一些。

4. 整合所有的组件

把所有的之前的函数放在一个函数里面，使得之后能够重用。

定义load_data_fashion_mnist函数，用于获取和读取Fashion-MNIST数据集。 这个函数返回训练集和验证集的数据迭代器。 此外，这个函数还接受一个可选参数resize，用来将图像大小调整为另一种形状。

def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None):  #@save
    """下载Fashion-MNIST数据集，然后将其加载到内存中"""
    trans = [transforms.ToTensor()]
    if resize:
        trans.insert(0, transforms.Resize(resize))
    trans = transforms.Compose(trans)
    mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
    mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data", train=False, transform=trans, download=True)
    return (data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                            num_workers=get_dataloader_workers()),
            data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False,
                            num_workers=get_dataloader_workers()))

下面，我们通过指定resize参数来测试load_data_fashion_mnist函数的图像大小调整功能：

train_iter, test_iter = load_data_fashion_mnist(32, resize=64)
for X, y in train_iter:
    print(X.shape, X.dtype, y.shape, y.dtype)
    break

现在已经准备好使用Fashion-MNIST数据集，便于下面的章节调用来评估各种分类算法。