李宏毅2023机器学习作业HW03解析和代码分享

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P.S. 即便 kaggle 上的时间已经截止，你仍然可以在上面提交和查看分数。但需要注意的是：在 kaggle 截止日期前你应该选择两个结果进行最后的Private评分。
每年的数据集size和feature并不完全相同，但基本一致，过去的代码仍可用于新一年的 Homework。

代码仓库中关于HW03的代码暂时没有boss，仅为0.84666，最近繁琐事情太多，还在比赛，所以先上传分享思路

任务目标（图像分类）

使用 CNN 进行图像分类

性能指标（Metric）

在测试集上的分类精度：
$$Acc=\frac{pred==label}{len(data)}\ast 100\%$$

数据解析

• ./train (Training set): 图像命名的格式为 “x_y.png”，其中 x 是类别，含有 10,000 张被标记的图像
• ./valid (Valid set): 图像命名的格式为 “x_y.png”，其中 x 是类别，含有 3,643 张被标记的图像
• ./test (Testing set): 图像命名的格式为 “n.png”，n 是 id，含有 3,000 张未标记的图像

数据来源于 food-11 数据集，共有 11 类。

数据下载（kaggle）

To use the Kaggle API, sign up for a Kaggle account at https://www.kaggle.com. Then go to the ‘Account’ tab of your user profile (https://www.kaggle.com//account) and select ‘Create API Token’. This will trigger the download of kaggle.json, a file containing your API credentials. Place this file in the location ~/.kaggle/kaggle.json (on Windows in the location C:\Users\\.kaggle\kaggle.json - you can check the exact location, sans drive, with echo %HOMEPATH%). You can define a shell environment variable KAGGLE_CONFIG_DIR to change this location to $KAGGLE_CONFIG_DIR/kaggle.json (on Windows it will be %KAGGLE_CONFIG_DIR%\kaggle.json).

-- Official Kaggle API

gdown 的链接如果挂了或者太慢，可以考虑使用 kaggle 的 api，流程非常简单，替换为你自己的用户名，https://www.kaggle.com//account，然后点击 Create New API Token，将下载下来的文件放去应该放的位置：

• Mac 和 Linux 放在 ~/.kaggle
• Windows 放在 C:\Users\\.kaggle

pip install kaggle
# 你需要先在 Kaggle -> Account -> Create New API Token 中下载 kaggle.json
# mv kaggle.json ~/.kaggle/kaggle.json
kaggle competitions download -c ml2023spring-hw3
unzip ml2023spring-hw3

Gradescope (Report)

from PIL import image

什么是 PIL？

PIL (Python Image Library) 是 python 的第三方图像处理库，支持图像存储，显示和处理，能够处理几乎所有的图片格式。

PIL.Image 模块在 sample code 中用于加载图像。

Q1. Augmentation Implementation

需要完成至少 5 种 transform，这一步能让你熟悉 Data Augmentation 到底是在做什么。

直接看代码部分，调用了 transforms 中的函数。

往回追溯：

可以看到 transforms 其实就是 torchvision.transforms。

torchvision.transforms 是 pytorch 中的图像预处理包，提供了常用的图像变换方式，可以通过 Compose 将多个变换步骤整合到一起，你可以查看这篇文章：torchvision.transforms 常用方法解析（含图例代码以及参数解释）进一步了解，最好是自行组合 5 个跑几次实验之后再偷懒。

下面的代码可以让你看到 train_tfm 究竟做了什么变换。

# I want to show you an example code of Q1. Augmentation Implementation that visualizes the effects of different image transformations.
import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams["savefig.bbox"] = 'tight'

# You can change the file path to match your image
orig_img = Image.open('Q1/assets/astronaut.jpg')


def plot(imgs, with_orig=True, row_title=None, **imshow_kwargs):
    if not isinstance(imgs[0], list):
        # Make a 2d grid even if there's just 1 row
        imgs = [imgs]

    num_rows = len(imgs)
    num_cols = len(imgs[0]) + with_orig
    fig, axs = plt.subplots(nrows=num_rows, ncols=num_cols, squeeze=False)
    for row_idx, row in enumerate(imgs):
        row = [orig_img] + row if with_orig else row
        for col_idx, img in enumerate(row):
            ax = axs[row_idx, col_idx]
            ax.imshow(np.asarray(img), **imshow_kwargs)
            ax.set(xticklabels=[], yticklabels=[], xticks=[], yticks=[])

    if with_orig:
        axs[0, 0].set(title='Original image')
        axs[0, 0].title.set_size(8)
    if row_title is not None:
        for row_idx in range(num_rows):
            axs[row_idx, 0].set(ylabel=row_title[row_idx])

    plt.tight_layout()

# Create a list of five transformed images from the original image using the train_tfm function
demo = [train_tfm(orig_img) for i in range(5)]

# Convert the transformed images from tensors to PIL images
pil_img_demo = [Image.fromarray(np.moveaxis(img.numpy()*255, 0, -1).astype(np.uint8)) for img in demo]

# Plot the transformed images using the plot function
plot(pil_img_demo) 

Q2. Visual Representations Implementation

下图是 Top/Mid/Bottom 的定义，你可以在 sample code 的最下面找到完成这个问题的代码。

根据你的模型修改其中的 index。

Baselines

Simple baseline (0.637)

• 运行所给的 sample code

Medium baseline (0.700)

• 做数据增强

  RandomChoice 很好用，另外，lamda x:x 可以返回原图。

• 训练更长时间

  根据 PDF 给出的参考训练时间，simple 是 0.5h，medium 是 1.5h，那么在这里我选择的是简单的将原来的 epoch *= 3，也就是 24 个 epoch 来进行最终的训练

Strong baseline (0.814)

• 使用预训练模型
  这里你可能有疑惑：不是说不能使用预训练模型吗？
  是的，你只能使用预训练模型的架构，不能使用预训练的权重，下面是不使用权重的参数设置。

  • Torchvision 版本 < 0.13 -> pretrained=False
  • > 0.13 -> weights=None

  模型对比 (160 epoch, 10 patience, ReduceLROnPlateau，使用了相当于原数据20倍的transforms) ：

  • 初始模型：0.80000
  • resnet50: 0.732
  • vgg16: 0.64733
  • densenet121: 0.76533
  • alexnet: 0.61866
  • squeezenet: 0.64200

  我觉得这一项的主要目的在于让你认识这些预训练模型的架构，因为可以看到，不使用预训练参数的情况下，实验结果并没有变得更好（使用预训练参数的话，以resnet50为例，仅使用预训练模型就可以轻松到达strong baseline，你可以试试，但不要用它来当作你的kaggle结果）。
  

  但既然PDF中的hint仅仅只是使用预训练模型，我相信一定有什么地方可以调优，使得仅使用预训练模型架构就可以达到 strong baseline，简单对比了使用参数和不使用参数的情况下 acc 的提升情况，发现同样的 lr，使用预训练参数的时候上升幅度更大，所以我想了下：

  1. 有没有可能是我的 lr 太小了？调大试试
  2. 会不会是我的transforms不够，因为在我的代码中，5%的可能性不进行transforms，也就是说，20倍的数据增强。50倍试试
  3. Medium baseline的工作没做好，加TTA（Test Time Augmentation），将train_tfm用到测试集上试试

  但上述方法都没有得到好的效果，最终我直接用最开始的CNN模型跑了200多个epoch完成了该strong baseline，这个坑以后来填，再耗在这更新来不及了 : )

  

Boss baseline (0.874)

• Cross validation 交叉验证

• Ensemble 模型集合
  相关视频: ML Lecture 22: Ensemble ，如果没有科学上网，这里是两个相同视频的链接地址：bilibili，学校官网。
  这两项确实有很大的提升，差不多有6个点，再修改一下原来的架构就行了。

小坑

1. 注意你的 lr，我在做 cross validation 的时候，不小心将 lr 设置的过大，导致一开始学习的很差，还以为是数据集划分的索引问题，折腾了半天。
2. 如果你将train文件夹和valid文件夹下的内容合并成一个新的文件夹（为了做 cross validation），那么在做 K-fold 的时候，序号一定要 shuffle 去打乱，你只要默认打乱了，就不需要考虑太多，否则就会出现一种情况：验证集的标签有可能在训练集中不存在，那就意味着，你的模型可能几乎没见过验证集里面的 label，如果完全没见过，那 acc 甚至有可能是 0。下面是我当时疏忽导致的 bug:[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QdG5JLvc-1681389223934)(/Users/home/Library/Application%20Support/typora-user-images/image-20230407205208218.png)]

参考链接

Image Module - Pillow (PIL Fork) 9.4.0 documentation

TRANSFORMING AND AUGMENTING IMAGES