李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类

目录

  • 项目描述
    • 数据集介绍
    • 项目要求
  • 数据增强
  • 读取数据
    • 获取训练集的信息,包括读取路径和对应的标签
    • 自定义数据读取器
  • 定义模型(VGG)
    • 修改vgg11
  • 训练
    • 再训练所有数据
  • 残差网络
  • 预测
    • 用训练好的vgg模型进行推理

项目描述

作业基于paddle2.0

训练一个简单的卷积神经网络,实现食物图片的分类。

数据集介绍

本次使用的数据集为food-11数据集,共有11类 标签为0-10

Bread, Dairy product, Dessert, Egg, Fried food, Meat, Noodles/Pasta, Rice, Seafood, Soup, and Vegetable/Fruit.
(面包,乳制品,甜点,鸡蛋,油炸食品,肉类,面条/意大利面,米饭,海鲜,汤,蔬菜/水果)
Training set: 9866张
Validation set: 3430张
Testing set: 3347张

数据格式
下载 zip 档后解压缩会有三个资料夹,分别为training、validation 以及 testing
training 以及 validation 中的照片名称格式为 [类别]_[编号].jpg,例如 3_100.jpg 即为类别 3 的照片(编号不重要)

项目要求

  • 请使用 CNN 搭建 model
  • 不能使用额外 dataset
  • 禁止使用 pre-trained model(只能自己手写CNN)
  • 请不要上网寻找 label
#导入相关库
import os
import random
import re
import matplotlib.pyplot as plt
import PIL.Image as Image

import paddle
from paddle.vision.transforms import Compose, ColorJitter, Resize,Transpose,Normalize,RandomHorizontalFlip,RandomVerticalFlip,RandomRotation,RandomCrop
import numpy as np
from paddle.io import Dataset
import paddle.vision.transforms
#看一下类别 0 的事物图片
path1='work/food-11/training/0_106.jpg'
path2='work/food-11/training/0_170.jpg'

img1 = Image.open(path1)
print(img1.size)
plt.imshow(img1)          #根据数组绘制图像
plt.show()

查看数据

img2 = Image.open(path2)
print(img2.size)
plt.imshow(img2)          #根据数组绘制图像
plt.show()               #显示图像

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第1张图片

#查看当前文件夹中有多张训练图片(包括数据增强后的图片)
fPath = 'work/food-11/training'
trainfood_list = os.listdir(fPath)
print(trainfood_list[0:2])
print(len(trainfood_list))

['4_315.jpg', '0_448.jpg']
15769
fPath = 'work/food-11/training'

trainfood_list = os.listdir(fPath)
for i in trainfood_list:
    if '.jpg.jpg' in i:
        os.remove(fPath+'/'+i)   # 先删除.jpg.jpg图片
trainfood_list = os.listdir(fPath)
print(trainfood_list[0:2])
print(len(trainfood_list))

['4_767.jpg', '2_1205.jpg']
9866

数据增强

数据增强需要合理,不然会出现下面增强不合理的情况。。

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第2张图片

#数据增强函数
def dataAugmentation(path_list):
    for each in path_list:
        if(random.random()>0.4): #每张图片有0.4的概率被处理
            img = Image.open(fPath+'/'+each)
            transform = Compose([ColorJitter(0.5,0.07,0.2,0.05), #调整图像的亮度,对比度,饱和度和色调。
                     RandomHorizontalFlip(0.4)])
            img = transform(img)
            if(random.random()>0.5):
                transform1 =RandomRotation(30)
                img = transform1(img)   
            savePath =  fPath+'/'+each+'.jpg'
            img.save(savePath) #例如:work/food-11/training/0_106.jpg.jpg 多一个.jpg用于区分原图,方便本地查看
#先删掉以前已经存在的经过增强后的图片
trainfood_list = os.listdir(fPath)
for i in trainfood_list:
    if '.jpg.jpg' in i:
        os.remove(fPath+'/'+i)   # 先删除.jpg.jpg图片
trainfood_list = os.listdir(fPath)
print(len(trainfood_list))
dataAugmentation(trainfood_list)
trainfood_list = os.listdir(fPath)
print(len(trainfood_list))  #查看经过数据增强后,总共有多少张训练图片
li = []
for i in trainfood_list:
    if '.jpg.jpg' in i:
        li.append(i)
print(li[0:2])

一下经过处理后的图片

#看一下经过处理后的图片
path1='work/food-11/training/4_186.jpg'
path2='work/food-11/training/4_186.jpg.jpg'
path3='work/food-11/training/5_306.jpg'
path4='work/food-11/training/5_306.jpg.jpg'

img1 = Image.open(path1)
plt.imshow(img1)          #根据数组绘制图像
plt.show()
img2 = Image.open(path2)
plt.imshow(img2)          #根据数组绘制图像
plt.show()               #显示图像
img3 = Image.open(path3)
plt.imshow(img3)          
plt.show()               
img4 = Image.open(path4)
plt.imshow(img4)          
plt.show() 

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第3张图片

读取数据

获取训练集的信息,包括读取路径和对应的标签

data_list = [] #用个列表保存每个训练样本的读取路径以及标签
for each in trainfood_list:
    data_list.append([fPath+'/'+each,int(re.findall(r"(\d+)_",each)[0])]) #利用正则表达式获取 _ 前的图片标签
print(len(data_list))
print(data_list[0:3])

#按文件顺序读取,可能造成很多属种图片存在序列相关,用random.shuffle方法把样本顺序彻底打乱。
random.shuffle(data_list)
print(len(data_list))
print(data_list[0:3]) #查看打乱顺序后的信息

打印如下:
在这里插入图片描述

data_vali_list = [] #用个列表保存每个测试样本的读取路径以及标签
vali_fPath = 'work/food-11/validation'
valifood_list = os.listdir(vali_fPath)
for each in valifood_list:
    data_vali_list.append([vali_fPath+'/'+each,int(re.findall(r"(\d+)_",each)[0])]) #利用正则表达式获取 _ 前的图片标签
print(len(data_vali_list))
print(data_vali_list[0:3])

3430
[['work/food-11/validation/4_315.jpg', 4], ['work/food-11/validation/2_56.jpg', 2], ['work/food-11/validation/0_87.jpg', 0]]

自定义数据读取器

#图像预处理函数
def preprocess(img):
    img = img.resize((224, 224), Image.ANTIALIAS)
    img = np.array(img).astype("float32")
    img = img.transpose((2, 0, 1))
    img = img / 255.0           # 将图像数据归一化
    return img

#自定义数据读取器
class Reader(Dataset):
    def __init__(self, datalist):
        super().__init__()
        self.samples = datalist
    def __getitem__(self, idx):
        #处理图像
        img_path = self.samples[idx][0] #得到某样本的路径
        img = Image.open(img_path)
        if img.mode != 'RGB':
            img = img.convert('RGB')
        img = preprocess(img)#图片预处理

        #处理标签
        label = self.samples[idx][1] #得到某样本的标签
        label = np.array([label], dtype="int64") #把标签数据类型转成int64
        return img, label

    def __len__(self):
        #返回每个Epoch中图片数量
        return len(self.samples)

#生成训练数据集实例
train_dataset = Reader(data_list)
#打印一个训练样本
print(train_dataset[1136][0].shape)
print(train_dataset[1136][1])

#生成测试数据集实例
vali_dataset = Reader(data_vali_list)
#打印一个训练样本
print(vali_dataset[1136][0].shape)
print(vali_dataset[1136][1])


(3, 224, 224)
[8]
(3, 224, 224)
[3]

定义模型(VGG)

修改vgg11

最初用vgg16的结构训练,发现验证集只能达到55%的正确率。于是模型结构修改为vgg11,然后把最后的MaxPool2D层换成AdaptiveAvgPool2D,把连续的三个全连接层换成一个全连接层。

import paddle.nn.functional as F
#定义模型
class My_vgg(paddle.nn.Layer):
    def __init__(self, num_classes):
        super().__init__()
        self.num_classes = num_classes
        
        net = []

        # block 1
        net.append(paddle.nn.Conv2D(3, 64, (3, 3),padding=1,  stride=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        # net.append(paddle.nn.Conv2D(64, 64, (3, 3),padding=1,  stride=1))
        # net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2))

        # block 2
        net.append(paddle.nn.Conv2D(64, 128, (3, 3), stride=1, padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        # net.append(paddle.nn.Conv2D(128, 128, (3, 3), stride=1, padding=1))
        # net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2))

        # block 3
        net.append(paddle.nn.Conv2D(128, 256, (3, 3), stride=1,padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.Conv2D(256, 256, (3, 3),  stride=1,padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        # net.append(paddle.nn.Conv2D(256, 256, (3, 3),  stride=1,padding=1))
        # net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2))

        # block 4
        net.append(paddle.nn.Conv2D(256, 512, (3, 3), stride=1, padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.Conv2D(512,  512,  (3, 3), stride=1, padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        # net.append(paddle.nn.Conv2D( 512,  512,  (3, 3), stride=1, padding=1))
        # net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2))

        # block 5
        net.append(paddle.nn.Conv2D( 512,  512,  (3, 3), stride=1, padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        net.append(paddle.nn.Conv2D( 512,  512,  (3, 3), stride=1, padding=1))
        net.append(paddle.nn.ReLU())
        # net.append(paddle.nn.Conv2D( 512,  512,  (3, 3), stride=1, padding=1))
        # net.append(paddle.nn.ReLU())
        #net.append(paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=2, stride=2))
        net.append(paddle.nn.AdaptiveAvgPool2D(output_size=1))

        # 组网
        #顺序容器。子Layer将按构造函数参数的顺序添加到此容器中。
        self.conv = paddle.nn.Sequential(*net)

        classifier = []

        # classifier.append(paddle.nn.Linear( 512*7*7,  4096))
        # classifier.append(paddle.nn.ReLU())
        # classifier.append(paddle.nn.Dropout(p=0.5))
        # classifier.append(paddle.nn.Linear( 4096,  4096))
        # classifier.append(paddle.nn.ReLU())
        # classifier.append(paddle.nn.Dropout(p=0.5))
        # classifier.append(paddle.nn.Linear( 4096,  self.num_classes))
        classifier.append(paddle.nn.Dropout(p=0.5))
        classifier.append(paddle.nn.Linear( 512,  self.num_classes))

        # 组网
        #顺序容器。子Layer将按构造函数参数的顺序添加到此容器中。
        self.classifier = paddle.nn.Sequential(*classifier)

    def forward(self, x):
        features = self.conv(x)
        features = paddle.reshape(features, [features.shape[0], -1])
        classify_result = self.classifier(features)
        return classify_result
network = My_vgg(11)  # 模型实例化
paddle.summary(network, (2,3,224,224)) 

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第4张图片

#定义输入
input_define = paddle.static.InputSpec(shape=[-1,3,224,224], dtype="float32", name="img")
label_define = paddle.static.InputSpec(shape=[-1,1], dtype="int64", name="label")

训练

训练集的准确率上升到了71%左右

#实例化网络对象并定义优化器等训练逻辑
model = My_vgg(num_classes=11)
model = paddle.Model(model,inputs=input_define,labels=label_define) #用Paddle.Model()对模型进行封装
optimizer = paddle.optimizer.AdamW(learning_rate=0.0001, parameters=model.parameters(),weight_decay=0.01)

model.prepare(optimizer=optimizer, #指定优化器
              loss=paddle.nn.CrossEntropyLoss(), #指定损失函数
              metrics=paddle.metric.Accuracy()) #指定评估方法

model.fit(train_data=train_dataset,     #训练数据集
          eval_data=vali_dataset,         #测试数据集
          batch_size=128,                  #一个批次的样本数量
          epochs=50,                      #迭代轮次
          save_dir="/home/aistudio/pp", #把模型参数、优化器参数保存至自定义的文件夹
          save_freq=20,                    #设定每隔多少个epoch保存模型参数及优化器参数
          #log_freq=100,                     #打印日志的频率
          verbose=1,                        # 日志展示模式
          shuffle=True                    # 是否打乱数据集顺序
        )

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第5张图片

再训练所有数据

利用最后保存的参数,在其基础上使用所有训练数据持续地训练

random.shuffle(data_vali_list)
data_list.extend(data_vali_list)

#生成训练数据集实例
train_dataset2 = Reader(data_list)
#打印一个训练样本
print(train_dataset2[1136][0].shape)
print(train_dataset2[1136][1])

(3, 224, 224)
[9]

加载模型再训练,只训练10个epoch

model = paddle.Model(My_vgg(num_classes=11),inputs=input_define,labels=label_define)
model.load('pp/final') #加载模型
optimizer = paddle.optimizer.AdamW(learning_rate=0.0001, parameters=model.parameters(),weight_decay=0.01)

model.prepare(optimizer=optimizer, #指定优化器
              loss=paddle.nn.CrossEntropyLoss(), #指定损失函数
              metrics=paddle.metric.Accuracy()) #指定评估方法

model.fit(train_data=train_dataset2,     #训练数据集
          batch_size=128,                  #一个批次的样本数量
          epochs=10,                      #迭代轮次
          save_dir="/home/aistudio/pp", #把模型参数、优化器参数保存至自定义的文件夹
          save_freq=10,                    #设定每隔多少个epoch保存模型参数及优化器参数
          #log_freq=100,                     #打印日志的频率
          verbose=1,                        # 日志展示模式
          shuffle=True                    # 是否打乱数据集顺序
        )

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第6张图片

残差网络

采用平均池化和dropout,验证集的准确率只能达到60%

class solid_block(paddle.nn.Layer):
    #带实线部分的残差块
    def __init__(self,in_channels):
        super(solid_block, self).__init__()
        self.conv1 = paddle.nn.Conv2D(in_channels,in_channels,kernel_size=3,stride=1,padding=1)
        self.relu1 = paddle.nn.ReLU()
        self.conv2 = paddle.nn.Conv2D(in_channels,in_channels,kernel_size=3,stride=1,padding=1)
        self.relu2 = paddle.nn.ReLU()
        self.relu3 = paddle.nn.ReLU()
    def forward(self, x):
        y = self.conv1(x)
        y = self.relu1(x)
        y = self.conv2(y)
        y = self.relu2(y)
        return self.relu3(x+y)

class dash_block(paddle.nn.Layer):
    #带虚线部分的残差块
    def __init__(self,in_channels,out_channels):
        super(dash_block, self).__init__()
        self.conv1 = paddle.nn.Conv2D(in_channels,out_channels,kernel_size=1,stride=2)
        self.conv2 = paddle.nn.Conv2D(in_channels,out_channels,kernel_size=3,stride=2,padding=1)
        self.relu1 = paddle.nn.ReLU()
        self.conv3 = paddle.nn.Conv2D(out_channels,out_channels,kernel_size=3,stride=1,padding=1)
        self.relu2 = paddle.nn.ReLU()
    def forward(self, x):
        z = self.conv1(x)
        y = self.conv2(x)
        y = self.relu1(y)
        y = self.conv3(y)
        return self.relu2(y+z)

class my_resnst(paddle.nn.Layer):
    def __init__(self,num_classes=11):
        super(my_resnst, self).__init__()
        self.conv1 = paddle.nn.Conv2D(3,64,kernel_size=7, stride=2, padding=3)
        self.maxp1 = paddle.nn.MaxPool2D(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.resnet1 = solid_block(64)
        self.resnet2 = solid_block(64)
        self.resnet3 = dash_block(64,128)
        self.resnet4 = solid_block(128)
        self.resnet5 = dash_block(128,256)
        self.resnet6 = solid_block(256)
        self.resnet7 = dash_block(256,512)
        self.resnet8 = solid_block(512)
        self.relu = paddle.nn.ReLU()
        self.avgp1 = paddle.nn.AvgPool2D(7) #平均池化
        self.dropout = paddle.nn.Dropout(p=0.5)
        self.fullc = paddle.nn.Linear(512,num_classes)
    def forward(self,x) :
        x = self.conv1(x)
        x = self.maxp1(x)
        x = self.resnet1(x)
        x = self.resnet2(x)
        x = self.resnet3(x)
        x = self.resnet4(x)
        x = self.resnet5(x)
        x = self.resnet6(x)
        x = self.resnet7(x)
        x = self.resnet8(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.avgp1(x)
        x = paddle.reshape(x, [x.shape[0], -1])
        x = self.dropout(x)
        x = self.fullc(x)
        return x
network = my_resnst()  # 模型实例化
paddle.summary(network, (1,3,224,224)) 

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第7张图片

#实例化网络对象并定义优化器等训练逻辑
model = my_resnst()
model = paddle.Model(model,inputs=input_define,labels=label_define) #用Paddle.Model()对模型进行封装
optimizer = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=0.000125, parameters=model.parameters())

model.prepare(optimizer=optimizer, #指定优化器
              loss=paddle.nn.CrossEntropyLoss(), #指定损失函数
              metrics=paddle.metric.Accuracy()) #指定评估方法

model.fit(train_data=train_dataset,     #训练数据集
          eval_data=vali_dataset,         #测试数据集
          batch_size=128,                  #一个批次的样本数量
          epochs=50,                      #迭代轮次
          save_dir="/home/aistudio/respp", #把模型参数、优化器参数保存至自定义的文件夹
          save_freq=50,                    #设定每隔多少个epoch保存模型参数及优化器参数
          #log_freq=100,                     #打印日志的频率
          verbose=1,                        # 日志展示模式
          shuffle=True                    # 是否打乱数据集顺序
        )

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第8张图片

预测

定义测试数据读取器

用训练好的vgg模型进行推理

class TestDataset(Dataset):
    def __init__(self, img_path=None):
        super().__init__()
        if img_path:
            self.img_paths = [img_path]
        else:
            raise Exception("请指定需要预测对应图片路径")

    def __getitem__(self, index):
        # 获取图像路径
        img_path = self.img_paths[index]
        img = Image.open(img_path)
        if img.mode != 'RGB': 
            img = img.convert('RGB') 
        img = preprocess(img) # 数据预处理--这里仅包括简单数据预处理,没有用到数据增强
        return img

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

model = paddle.Model(My_vgg(num_classes=11),inputs=input_define)

#读取刚刚训练好的参数
model.load('pp/final')

#准备模型
model.prepare()

#得到待预测数据集中每个图像的读取路径
test_list=[]
test_fPath = 'work/food-11/testing'
testfood_list = os.listdir(test_fPath)
for each in testfood_list:
    test_list.append(test_fPath+'/'+each) 
print(len(test_list))
print(test_list[0:3])

3347
['work/food-11/testing/2760.jpg', 'work/food-11/testing/3215.jpg', 'work/food-11/testing/3011.jpg']
#查看一张测试图片
p='work/food-11/testing/3346.jpg'
img = Image.open(p)
plt.imshow(img)          #根据数组绘制图像
plt.show()

李宏毅机器学习特训营机器学习作业3-食物图片分类_第9张图片
测试一下模型,查看模型对上面图片的预测结果

testpre = TestDataset(p)
result = model.predict(test_data=testpre)[0] #预测
result = paddle.to_tensor(result)
result = np.argmax(result.numpy()) #获得最大值所在的序号
print("类别:"+str(result))

在这里插入图片描述
预测正确,图片是属于汤类

对整个测试集进行预测

保存时只保存图片的文件名字。

#利用训练好的模型进行预测
results=[]
for each in test_list:
    test2pre = TestDataset(each)
    result = model.predict(test_data=test2pre)[0] #预测
    result = paddle.to_tensor(result)
    result = np.argmax(result.numpy()) #获得最大值所在的序号
    results.append([os.path.basename(each),result]) #保存该序号所对应的标签 如:[3364.jpg,9]
#把结果保存起来
with open("result.txt", "w") as f:
    for r in results:
        f.write("{}\n".format(r))

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