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9.12. 实战Kaggle比赛：图像分类(CIFAR-10)

到目前为止，我们一直在用Gluon的data包直接获取NDArray格式的图像数据集。然而，实际中的图像数据集往往是以图像文件的形式存在的。在本节中，我们将从原始的图像文件开始，一步步整理、读取并将其变换为NDArray格式。

我们曾在“图像增广”一节中实验过CIFAR-10数据集。它是计算机视觉领域的一个重要数据集。现在我们将应用前面所学的知识，动手实战CIFAR-10图像分类问题的Kaggle比赛。该比赛的网页地址是https://www.kaggle.com/c/cifar-10 。

图9.16展示了该比赛的网页信息。为了便于提交结果，请先在Kaggle网站上注册账号。

图 9.16 CIFAR-10图像分类比赛的网页信息。比赛数据集可通过点击“Data”标签获取

首先，导入比赛所需的包或模块。In[1]:importd2lzhasd2l

frommxnetimportautograd,gluon,init

frommxnet.gluonimportdataasgdata,lossasgloss,nn

importos

importpandasaspd

importshutil

importtime

9.12.1. 获取和整理数据集

比赛数据分为训练集和测试集。训练集包含5万张图像。测试集包含30万张图像，其中有1万张图像用来计分，其他29万张不计分的图像是为了防止人工标注测试集并提交标注结果。两个数据集中的图像格式都是png，高和宽均为32像素，并含有RGB三个通道(彩色)。图像一共涵盖10个类别，分别为飞机、汽车、鸟、猫、鹿、狗、青蛙、马、船和卡车。图9.16的左上角展示了数据集中部分飞机、汽车和鸟的图像。

9.12.1.1. 下载数据集

登录Kaggle后，可以点击图9.16所示的CIFAR-10图像分类比赛网页上的“Data”标签，并分别下载训练数据集train.7z、测试数据集test.7z和训练数据集标签trainLabels.csv。

9.12.1.2. 解压数据集

下载完训练数据集train.7z和测试数据集test.7z后需要解压缩。解压缩后，将训练数据集、测试数据集以及训练数据集标签分别存放在以下3个路径：../data/kaggle_cifar10/train/[1-50000].png；

../data/kaggle_cifar10/test/[1-300000].png；

../data/kaggle_cifar10/trainLabels.csv。

为方便快速上手，我们提供了上述数据集的小规模采样，其中train_tiny.zip包含100个训练样本，而test_tiny.zip仅包含1个测试样本。它们解压后的文件夹名称分别为train_tiny和test_tiny。此外，将训练数据集标签的压缩文件解压，并得到trainLabels.csv。如果使用上述Kaggle比赛的完整数据集，还需要把下面demo变量改为False。In[2]:# 如果使用下载的Kaggle比赛的完整数据集，把demo变量改为False

demo=True

ifdemo:

importzipfile

forfin['train_tiny.zip','test_tiny.zip','trainLabels.csv.zip']:

withzipfile.ZipFile('../data/kaggle_cifar10/'+f,'r')asz:

z.extractall('../data/kaggle_cifar10/')

9.12.1.3. 整理数据集

我们需要整理数据集，以方便训练和测试模型。以下的read_label_file函数将用来读取训练数据集的标签文件。该函数中的参数valid_ratio是验证集样本数与原始训练集样本数之比。In[3]:defread_label_file(data_dir,label_file,train_dir,valid_ratio):

withopen(os.path.join(data_dir,label_file),'r')asf:

# 跳过文件头行(栏名称)

lines=f.readlines()[1:]

tokens=[l.rstrip().split(',')forlinlines]

idx_label=dict(((int(idx),label)foridx,labelintokens))

labels=set(idx_label.values())

n_train_valid=len(os.listdir(os.path.join(data_dir,train_dir)))

n_train=int(n_train_valid*(1-valid_ratio))

assert0

returnn_train// len(labels), idx_label

下面定义一个辅助函数，从而仅在路径不存在的情况下创建路径。In[4]:defmkdir_if_not_exist(path):# 本函数已保存在d2lzh包中方便以后使用

ifnotos.path.exists(os.path.join(*path)):

os.makedirs(os.path.join(*path))

我们接下来定义reorg_train_valid函数来从原始训练集中切分出验证集。以valid_ratio=0.1为例，由于原始训练集有50,000张图像，调参时将有45,000张图像用于训练并存放在路径input_dir/train下，而另外5,000张图像将作为验证集并存放在路径input_dir/valid下。经过整理后，同一类图像将被放在同一个文件夹下，便于稍后读取。In[5]:defreorg_train_valid(data_dir,train_dir,input_dir,n_train_per_label,

idx_label):

label_count={}

fortrain_fileinos.listdir(os.path.join(data_dir,train_dir)):

idx=int(train_file.split('.')[0])

label=idx_label[idx]

mkdir_if_not_exist([data_dir,input_dir,'train_valid',label])

shutil.copy(os.path.join(data_dir,train_dir,train_file),

os.path.join(data_dir,input_dir,'train_valid',label))

iflabelnotinlabel_countorlabel_count[label]

mkdir_if_not_exist([data_dir,input_dir,'train',label])

shutil.copy(os.path.join(data_dir,train_dir,train_file),

os.path.join(data_dir,input_dir,'train',label))

label_count[label]=label_count.get(label,0)+1

else:

mkdir_if_not_exist([data_dir,input_dir,'valid',label])

shutil.copy(os.path.join(data_dir,train_dir,train_file),

os.path.join(data_dir,input_dir,'valid',label))

下面的reorg_test函数用来整理测试集，从而方便预测时的读取。In[6]:defreorg_test(data_dir,test_dir,input_dir):

mkdir_if_not_exist([data_dir,input_dir,'test','unknown'])

fortest_fileinos.listdir(os.path.join(data_dir,test_dir)):

shutil.copy(os.path.join(data_dir,test_dir,test_file),

os.path.join(data_dir,input_dir,'test','unknown'))

最后，我们用一个函数分别调用前面定义的read_label_file函数、reorg_train_valid函数以及reorg_test函数。In[7]:defreorg_cifar10_data(data_dir,label_file,train_dir,test_dir,input_dir,

valid_ratio):

n_train_per_label,idx_label=read_label_file(data_dir,label_file,

train_dir,valid_ratio)

reorg_train_valid(data_dir,train_dir,input_dir,n_train_per_label,

idx_label)

reorg_test(data_dir,test_dir,input_dir)

我们在这里只使用100个训练样本和1个测试样本。训练数据集和测试数据集的文件夹名称分别为train_tiny和test_tiny。相应地，我们仅将批量大小设为1。实际训练和测试时应使用Kaggle比赛的完整数据集，并将批量大小batch_size设为一个较大的整数，如128。我们将10%的训练样本作为调参使用的验证集。In[8]:ifdemo:

# 注意，此处使用小训练集和小测试集并将批量大小相应设小。使用Kaggle比赛的完整数据集时可

# 设批量大小为较大整数

train_dir,test_dir,batch_size='train_tiny','test_tiny',1

else:

train_dir,test_dir,batch_size='train','test',128

data_dir,label_file='../data/kaggle_cifar10','trainLabels.csv'

input_dir,valid_ratio='train_valid_test',0.1

reorg_cifar10_data(data_dir,label_file,train_dir,test_dir,input_dir,

valid_ratio)

9.12.2. 图像增广

为应对过拟合，我们使用图像增广。例如，加入transforms.RandomFlipLeftRight()即可随机对图像做镜面翻转，也可以通过transforms.Normalize()对彩色图像RGB三个通道分别做标准化。下面列举了其中的部分操作，你可以根据需求来决定是否使用或修改这些操作。In[9]:transform_train=gdata.vision.transforms.Compose([

# 将图像放大成高和宽各为40像素的正方形

gdata.vision.transforms.Resize(40),

# 随机对高和宽各为40像素的正方形图像裁剪出面积为原图像面积0.64~1倍的小正方形，再放缩为

# 高和宽各为32像素的正方形

gdata.vision.transforms.RandomResizedCrop(32,scale=(0.64,1.0),

ratio=(1.0,1.0)),

gdata.vision.transforms.RandomFlipLeftRight(),

gdata.vision.transforms.ToTensor(),

# 对图像的每个通道做标准化

gdata.vision.transforms.Normalize([0.4914,0.4822,0.4465],

[0.2023,0.1994,0.2010])])

测试时，为保证输出的确定性，我们仅对图像做标准化。In[10]:transform_test=gdata.vision.transforms.Compose([

gdata.vision.transforms.ToTensor(),

gdata.vision.transforms.Normalize([0.4914,0.4822,0.4465],

[0.2023,0.1994,0.2010])])

9.12.3. 读取数据集

接下来，可以通过创建ImageFolderDataset实例来读取整理后的含原始图像文件的数据集，其中每个数据样本包括图像和标签。In[11]:# 读取原始图像文件。flag=1说明输入图像有3个通道(彩色)

train_ds=gdata.vision.ImageFolderDataset(

os.path.join(data_dir,input_dir,'train'),flag=1)

valid_ds=gdata.vision.ImageFolderDataset(

os.path.join(data_dir,input_dir,'valid'),flag=1)

train_valid_ds=gdata.vision.ImageFolderDataset(

os.path.join(data_dir,input_dir,'train_valid'),flag=1)

test_ds=gdata.vision.ImageFolderDataset(

os.path.join(data_dir,input_dir,'test'),flag=1)

我们在DataLoader中指明定义好的图像增广操作。在训练时，我们仅用验证集评价模型，因此需要保证输出的确定性。在预测时，我们将在训练集和验证集的并集上训练模型，以充分利用所有标注的数据。In[12]:train_iter=gdata.DataLoader(train_ds.transform_first(transform_train),

batch_size,shuffle=True,last_batch='keep')

valid_iter=gdata.DataLoader(valid_ds.transform_first(transform_test),

batch_size,shuffle=True,last_batch='keep')

train_valid_iter=gdata.DataLoader(train_valid_ds.transform_first(

transform_train),batch_size,shuffle=True,last_batch='keep')

test_iter=gdata.DataLoader(test_ds.transform_first(transform_test),

batch_size,shuffle=False,last_batch='keep')

9.12.4. 定义模型

与“残差网络(ResNet)”一节中的实现稍有不同，这里基于HybridBlock类构建残差块。这是为了提升执行效率。In[13]:classResidual(nn.HybridBlock):

def__init__(self,num_channels,use_1x1conv=False,strides=1,**kwargs):

super(Residual,self).__init__(**kwargs)

self.conv1=nn.Conv2D(num_channels,kernel_size=3,padding=1,

strides=strides)

self.conv2=nn.Conv2D(num_channels,kernel_size=3,padding=1)

ifuse_1x1conv:

self.conv3=nn.Conv2D(num_channels,kernel_size=1,

strides=strides)

else:

self.conv3=None

self.bn1=nn.BatchNorm()

self.bn2=nn.BatchNorm()

defhybrid_forward(self,F,X):

Y=F.relu(self.bn1(self.conv1(X)))

Y=self.bn2(self.conv2(Y))

ifself.conv3:

X=self.conv3(X)

returnF.relu(Y+X)

下面定义ResNet-18模型。In[14]:defresnet18(num_classes):

net=nn.HybridSequential()

net.add(nn.Conv2D(64,kernel_size=3,strides=1,padding=1),

nn.BatchNorm(),nn.Activation('relu'))

defresnet_block(num_channels,num_residuals,first_block=False):

blk=nn.HybridSequential()

foriinrange(num_residuals):

ifi==0andnotfirst_block:

blk.add(Residual(num_channels,use_1x1conv=True,strides=2))

else:

blk.add(Residual(num_channels))

returnblk

net.add(resnet_block(64,2,first_block=True),

resnet_block(128,2),

resnet_block(256,2),

resnet_block(512,2))

net.add(nn.GlobalAvgPool2D(),nn.Dense(num_classes))

returnnet

CIFAR-10图像分类问题的类别个数为10。我们将在训练开始前对模型进行Xavier随机初始化。In[15]:defget_net(ctx):

num_classes=10

net=resnet18(num_classes)

net.initialize(ctx=ctx,init=init.Xavier())

returnnet

loss=gloss.SoftmaxCrossEntropyLoss()

9.12.5. 定义训练函数

我们将根据模型在验证集上的表现来选择模型并调节超参数。下面定义了模型的训练函数train。我们记录了每个迭代周期的训练时间，这有助于比较不同模型的时间开销。In[16]:deftrain(net,train_iter,valid_iter,num_epochs,lr,wd,ctx,lr_period,

lr_decay):

trainer=gluon.Trainer(net.collect_params(),'sgd',

{'learning_rate':lr,'momentum':0.9,'wd':wd})

forepochinrange(num_epochs):

train_l_sum,train_acc_sum,n,start=0.0,0.0,0,time.time()

ifepoch>0andepoch%lr_period==0:

trainer.set_learning_rate(trainer.learning_rate*lr_decay)

forX,yintrain_iter:

y=y.astype('float32').as_in_context(ctx)

withautograd.record():

y_hat=net(X.as_in_context(ctx))

l=loss(y_hat,y).sum()

l.backward()

trainer.step(batch_size)

train_l_sum+=l.asscalar()

train_acc_sum+=(y_hat.argmax(axis=1)==y).sum().asscalar()

n+=y.size

time_s="time %.2f sec"%(time.time()-start)

ifvalid_iterisnotNone:

valid_acc=d2l.evaluate_accuracy(valid_iter,net,ctx)

epoch_s=("epoch %d, loss %f, train acc %f, valid acc %f, "

%(epoch+1,train_l_sum/n,train_acc_sum/n,

valid_acc))

else:

epoch_s=("epoch %d, loss %f, train acc %f, "%

(epoch+1,train_l_sum/n,train_acc_sum/n))

print(epoch_s+time_s+', lr '+str(trainer.learning_rate))

9.12.6. 训练并验证模型

现在，我们可以训练并验证模型了。下面的超参数都是可以调节的，如增加迭代周期等。由于lr_period和lr_decay分别设为80和0.1，优化算法的学习率将在每80个迭代周期后自乘0.1。简单起见，这里仅训练1个迭代周期。In[17]:ctx,num_epochs,lr,wd=d2l.try_gpu(),1,0.1,5e-4

lr_period,lr_decay,net=80,0.1,get_net(ctx)

net.hybridize()

train(net,train_iter,valid_iter,num_epochs,lr,wd,ctx,lr_period,

lr_decay)epoch1,loss5.998157,train acc0.055556,valid acc0.100000,time1.34sec,lr0.1

9.12.7. 对测试集分类并在Kaggle提交结果

得到一组满意的模型设计和超参数后，我们使用所有训练数据集(含验证集)重新训练模型，并对测试集进行分类。In[18]:net,preds=get_net(ctx),[]

net.hybridize()

train(net,train_valid_iter,None,num_epochs,lr,wd,ctx,lr_period,

lr_decay)

forX,_intest_iter:

y_hat=net(X.as_in_context(ctx))

preds.extend(y_hat.argmax(axis=1).astype(int).asnumpy())

sorted_ids=list(range(1,len(test_ds)+1))

sorted_ids.sort(key=lambdax:str(x))

df=pd.DataFrame({'id':sorted_ids,'label':preds})

df['label']=df['label'].apply(lambdax:train_valid_ds.synsets[x])

df.to_csv('submission.csv',index=False)epoch1,loss6.620115,train acc0.090000,time1.24sec,lr0.1

执行完上述代码后，我们会得到一个submission.csv文件。这个文件符合Kaggle比赛要求的提交格式。提交结果的方法与“实战Kaggle比赛：房价预测”一节中的类似。

9.12.8. 小结可以通过创建ImageFolderDataset实例来读取含原始图像文件的数据集。

可以应用卷积神经网络、图像增广和混合式编程来实战图像分类比赛。

9.12.9. 练习使用Kaggle比赛的完整CIFAR-10数据集。把批量大小batch_size和迭代周期数num_epochs分别改为128和300。可以在这个比赛中得到什么样的准确率和名次？

如果不使用图像增广的方法能得到什么样的准确率？

参与讨论，在社区交流方法和结果。你能发掘出其他更好的技巧吗？