图文详解如何利用PyTorch实现图像识别

目录

• 使用torchvision库的datasets类加载常用的数据集或自定义数据集
• 使用torchvision库进行数据增强和变换，自定义自己的图像分类数据集并使用torchvision库加载它们
• 使用torchvision库的models类加载预训练模型或自定义模型
• forward方法
• 总结 

使用torchvision库的datasets类加载常用的数据集或自定义数据集

图像识别是计算机视觉中的一个基础任务，它的目标是让计算机能够识别图像中的物体、场景或者概念，并将它们分配到预定义的类别中。例如，给定一张猫的图片，图像识别系统应该能够输出“猫”这个类别。

为了训练和评估图像识别系统，我们需要有大量的带有标注的图像数据集。常用的图像分类数据集有：

• ImageNet：一个包含超过1400万张图片和2万多个类别的大型数据库，是目前最流行和最具挑战性的图像分类基准之一。
• CIFAR-10/CIFAR-100：一个包含6万张32×32大小的彩色图片和10或100个类别的小型数据库，适合入门级和快速实验。
• MNIST：一个包含7万张28×28大小的灰度手写数字图片和10个类别的经典数据库，是深度学习中最常用的测试集之一。
• Fashion-MNIST：一个包含7万张28×28大小的灰度服装图片和10个类别的数据库，是MNIST数据库在时尚领域上更加复杂和现代化版本。

使用torchvision库可以方便地加载这些常用数据集或者自定义数据集。torchvision.datasets提供了一些加载数据集或者下载数据集到本地缓存文件夹（默认为./data）并返回Dataset对象（torch.utils.data.Dataset） 的函数。Dataset对象可以存储样本及其对应标签，并提供索引方式（dataset[i]）来获取第i个样本。例如，要加载CIFAR-10训练集并进行随机打乱，可以使用以下代码：

import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()]) # 定义转换函数，将PIL.Image转换为torch.Tensor
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) # 加载CIFAR-10训练集
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4, shuffle=True) # 定义DataLoader对象，用于批量加载数据

使用torchvision库进行数据增强和变换，自定义自己的图像分类数据集并使用torchvision库加载它们

数据增强和变换：为了提高模型的泛化能力和数据利用率，我们通常会对图像数据进行一些随机的变换，例如裁剪、旋转、翻转、缩放、亮度调整等。这些变换可以在一定程度上模拟真实场景中的图像变化，增加模型对不同视角和光照条件下的物体识别能力。torchvision.transforms提供了一些常用的图像变换函数，可以组合成一个transform对象，并传入datasets类中作为参数。例如，要对CIFAR-10训练集进行随机水平翻转和随机裁剪，并将图像归一化到[-1, 1]范围内，可以使用以下代码：

import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

transform = transforms.Compose([
    transforms.RandomHorizontalFlip(), # 随机水平翻转
    transforms.RandomCrop(32, padding=4), # 随机裁剪到32×32大小，并在边缘填充4个像素
    transforms.ToTensor(), # 将PIL.Image转换为torch.Tensor
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5)) # 将RGB三个通道的值归一化到[-1, 1]范围内
])
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) # 加载CIFAR-10训练集，并应用上述变换
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4, shuffle=True) # 定义DataLoader对象，用于批量加载数据

自定义图像分类数据集：如果我们有自己的图像分类数据集，我们可以通过继承torch.utils.data.Dataset类来自定义一个Dataset对象，并实现__len__和__getitem__两个方法。__len__方法返回数据集中样本的数量，__getitem__方法根据给定的索引返回一个样本及其标签。例如，假设我们有一个文件夹结构如下：

my_dataset/
├── class_0/
│   ├── image_000.jpg
│   ├── image_001.jpg
│   └── ...
├── class_1/
│   ├── image_000.jpg
│   ├── image_001.jpg
│   └── ...
└── ...

其中每个子文件夹代表一个类别，每个子文件夹中包含该类别对应的图像文件。我们可以使用以下代码来自定义一个Dataset对象，并加载这个数据集：

import torch.utils.data as data
from PIL import Image
import os

class MyDataset(data.Dataset):
    def __init__(self, root_dir, transform=None):
        self.root_dir = root_dir # 根目录路径
        self.transform = transform # 变换函数
        
        self.classes = sorted(os.listdir(root_dir)) # 类别列表（按字母顺序排序）
        self.class_to_idx = {c: i for i,c in enumerate(self.classes)} # 类别名到索引的映射
        
        self.images = [] # 图片路径列表（相对于根目录）
        self.labels = [] # 标签列表（整数）
        
        for c in self.classes:
            c_dir = os.path.join(root_dir, c) # 类别子目录路径
            for img_name in sorted(os.listdir(c_dir)): # 遍历每个图片文件名（按字母顺序排序）
                img_path = os.path.join(c,img_name) # 图片相对路径（相对于根目录）
                label = self.class_to_idx[c] # 图

使用torchvision库的models类加载预训练模型或自定义模型

加载预训练模型或自定义模型：torchvision.models提供了一些常用的图像分类模型，例如AlexNet、VGG、ResNet等，并且可以选择是否加载在ImageNet数据集上预训练好的权重。这些模型可以直接用于图像分类任务，也可以作为特征提取器或者微调（fine-tune）的基础。例如，要加载一个预训练好的ResNet-18模型，并冻结除最后一层外的所有参数，可以使用以下代码：

import torchvision.models as models

model = models.resnet18(pretrained=True) # 加载预训练好的ResNet-18模型
for param in model.parameters(): # 遍历所有参数
    param.requires_grad = False # 将参数的梯度设置为False，表示不需要更新
num_features = model.fc.in_features # 获取全连接层（fc）的输入特征数
model.fc = torch.nn.Linear(num_features, 10) # 替换全连接层为一个新的线性层，输出特征数为10（假设有10个类别）

如果我们想要自定义自己的图像分类模型，我们可以通过继承torch.nn.Module类来实现一个Module对象，并实现__init__和forward两个方法。__init__方法用于定义模型中需要的各种层和参数，forward方法用于定义前向传播过程。例如，要自定义一个简单的卷积神经网络（CNN）模型，可以使用以下代码：

import torch.nn as nn

class MyCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyCNN, self).__init__() # 调用父类构造函数
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5) # 定义第一个卷积层，输入通道数为3（RGB），输出通道数为6，卷积核大小为5×5
        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2) # 定义最大池化层，池化核大小为2×2，步长为2
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5) # 定义第二个卷积层，输入通道数为6，输出通道数为16，卷积核大小为5×5
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120) # 定义第一个全连接层，输入特征数为16×5×5（根据卷积和池化后的图像大小计算得到），输出特征数为120
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84) # 定义第二个全连接层，输入特征数为120，输出特征数为84
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10) # 定义第三个全连接层，输入特征数为84，

forward方法

forward方法用于定义前向传播过程，即如何根据输入的图像张量（Tensor）计算出输出的类别概率分布。我们可以使用定义好的各种层和参数，并结合一些激活函数（如ReLU）和归一化函数（如softmax）来实现forward方法。例如，要实现上面自定义的CNN模型的forward方法，可以使用以下代码：

import torch.nn.functional as F

class MyCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        # 省略__init__方法的内容
        ...

    def forward(self, x): # 定义前向传播过程，x是输入的图像张量
        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x))) # 将x通过第一个卷积层和ReLU激活函数，然后通过最大池化层
        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x))) # 将x通过第二个卷积层和ReLU激活函数，然后通过最大池化层
        x = x.view(-1, 16 * 5 * 5) # 将x展平为一维向量，-1表示自动推断批量大小
        x = F.relu(self.fc1(x)) # 将x通过第一个全连接层和ReLU激活函数
        x = F.relu(self.fc2(x)) # 将x通过第二个全连接层和ReLU激活函数
        x = self.fc3(x) # 将x通过第三个全连接层
        x = F.softmax(x, dim=1) # 将x通过softmax函数，沿着第一个维度（类别维度）进行归一化，得到类别概率分布
        return x # 返回输出的类别概率分布

进行模型训练和测试，使用matplotlib.pyplot库可视化结果

模型训练和测试是机器学习中的重要步骤，它们可以帮助我们评估模型的性能和泛化能力。matplotlib.pyplot是一个Python库，它可以用来绘制各种类型的图形，包括曲线图、散点图、直方图等。使用matplotlib.pyplot库可视化结果的一般步骤如下：

• 导入matplotlib.pyplot模块，并设置一些参数，如字体、分辨率等。
• 创建一个或多个图形对象（figure），并指定大小、标题等属性。
• 在每个图形对象中创建一个或多个子图（subplot），并指定位置、坐标轴等属性。
• 在每个子图中绘制数据，使用不同的函数和参数，如plot、scatter、bar等。
• 添加一些修饰元素，如图例（legend）、标签（label）、标题（title）等。
• 保存或显示图形。

例如：使用matplotlib.pyplot库绘制了一个线性回归模型的训练误差和测试误差曲线：

# 导入模块
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 设置字体和分辨率
plt.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]
plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False
%config InlineBackend.figure_format = "retina"

# 生成数据
x = np.linspace(0, 10, 100)
y = 3 * x + 5 + np.random.randn(100) * 2 # 真实值
w = np.random.randn() # 随机初始化权重
b = np.random.randn() # 随机初始化偏置

# 定义损失函数
def loss(y_true, y_pred):
    return ((y_true - y_pred) ** 2).mean()

# 定义梯度下降函数
def gradient_descent(x, y_true, w, b, lr):
    y_pred = w * x + b # 预测值
    dw = -2 * (x * (y_true - y_pred)).mean() # 权重梯度
    db = -2 * (y_true - y_pred).mean() # 偏置梯度
    w = w - lr * dw # 更新权重
    b = b - lr * db # 更新偏置
    return w, b

# 训练模型，并记录每轮的训练误差和测试误差
epochs = 20 # 训练轮数
lr = 0.01 # 学习率
train_loss_list = [] # 训练误差列表
test_loss_list = [] # 测试误差列表

for epoch in range(epochs):
    # 划分训练集和测试集（8:2）
    train_index = np.random.choice(100, size=80, replace=False)
    test_index = np.setdiff1d(np.arange(100), train_index)
    x_train, y_train = x[train_index], y[train_index]
    x_test, y_test = x[test_index], y[test_index]

    # 梯度下降更新参数，并计算训练误差和测试误差
    w, b = gradient_descent(x_train, y_train, w, b, lr)
    train_loss = loss(y_train, w * x_train + b)
    test_loss = loss(y_test, w * x_test + b)

    # 打印结果，并将误差添加到列表中
    print(f"Epoch {epoch+1}, Train Loss: {train_loss:.4f}, Test Loss: {test_loss:.4f}")
    train_loss_list.append(train_loss)
    test_loss_list.append(test_loss)

# 创建一个图形对象，并设置大小为8*6英寸    
plt.figure(figsize=(8,6))

# 在图形对象中创建一个子图，并设置位置为1行1列的第1个
plt.subplot(1, 1, 1)

# 在子图中绘制训练误差和测试误差曲线，使用不同的颜色和标签
plt.plot(np.arange(epochs), train_loss_list, "r", label="Train Loss")
plt.plot(np.arange(epochs), test_loss_list, "b", label="Test Loss")

# 添加图例、坐标轴标签和标题
plt.legend()
plt.xlabel("Epoch")
plt.ylabel("Loss")
plt.title("Linear Regression Loss Curve")

# 保存或显示图形
#plt.savefig("loss_curve.png")
plt.show()

运行后，可以看到如下的图形：

参考：： PyTorch官方网站

总结 

到此这篇关于如何利用PyTorch实现图像识别的文章就介绍到这了,更多相关PyTorch图像识别内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！