基于飞桨paddle的极简方案构建手写数字识别模型测试代码

基于飞桨paddle的极简方案构建手写数字识别模型测试代码

原始测试图片为255X252的图片
因为是极简方案采用的是线性回归模型，所以预测结果数字不一致
本次预测的数字是 [[3]]
测试结果：

PS E:\project\python> & D:/Python39/python.exe e:/project/python/MNIST.py
10.0.0
2.4.2
图像数据形状和对应数据为: (28, 28)
图像标签形状和对应数据为: (1,) [5]

打印第一个batch的第一个图像，对应标签数字为[5]
epoch_id: 0, batch_id: 0, loss is: [34.4626]
epoch_id: 0, batch_id: 1000, loss is: [7.599941]
epoch_id: 0, batch_id: 2000, loss is: [4.583123]
epoch_id: 0, batch_id: 3000, loss is: [2.8974648]
epoch_id: 1, batch_id: 0, loss is: [3.610869]
epoch_id: 1, batch_id: 1000, loss is: [5.6290216]
epoch_id: 1, batch_id: 2000, loss is: [1.9465038]
epoch_id: 1, batch_id: 3000, loss is: [2.1046467]
epoch_id: 7, batch_id: 2000, loss is: [4.63013]
epoch_id: 7, batch_id: 3000, loss is: [4.4638147]
epoch_id: 8, batch_id: 0, loss is: [3.0043283]
epoch_id: 8, batch_id: 1000, loss is: [1.633965]
epoch_id: 8, batch_id: 2000, loss is: [3.1906333]
epoch_id: 8, batch_id: 3000, loss is: [2.4461133]
epoch_id: 9, batch_id: 0, loss is: [3.9595613]
epoch_id: 9, batch_id: 1000, loss is: [1.3417265]
epoch_id: 9, batch_id: 2000, loss is: [2.3505783]
epoch_id: 9, batch_id: 3000, loss is: [2.0194921]
原始图像shape:  (252, 255)
采样后图片shape:  (28, 28)
result Tensor(shape=[1, 1], dtype=float32, place=Place(cpu), stop_gradient=False,
       [[3.94108272]])
本次预测的数字是 [[3]]
PS E:\project\python>

测试代码如下所示：

#加载飞桨和相关类库
import paddle
from paddle.nn import Linear
import paddle.nn.functional as F
import os
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 导入图像读取第三方库
from PIL import Image,ImageFilter
print(Image.__version__)    #10.0.0
#原来是在pillow的10.0.0版本中，ANTIALIAS方法被删除了，使用新的方法即可Image.LANCZOS
#或降级版本为9.5.0,安装pip install Pillow==9.5.0
print(paddle.__version__)   #2.4.2

#飞桨提供了多个封装好的数据集API，涵盖计算机视觉、自然语言处理、推荐系统等多个领域，
# 帮助读者快速完成深度学习任务。
# 如在手写数字识别任务中，
# 通过paddle.vision.datasets.MNIST可以直接获取处理好的MNIST训练集、测试集，
# 飞桨API支持如下常见的学术数据集：
'''
mnist
cifar
Conll05
imdb
imikolov
movielens
sentiment
uci_housing
wmt14
wmt16
'''

#数据处理
# 设置数据读取器，API自动读取MNIST数据训练集
train_dataset = paddle.vision.datasets.MNIST(mode='train')

train_data0 = np.array(train_dataset[0][0])
train_label_0 = np.array(train_dataset[0][1])

# 显示第一batch的第一个图像
'''
import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure("Image") # 图像窗口名称
plt.figure(figsize=(2,2))
plt.imshow(train_data0, cmap=plt.cm.binary)
plt.axis('on') # 关掉坐标轴为 off
plt.title('image') # 图像题目
plt.show()
'''

print("图像数据形状和对应数据为:", train_data0.shape)                          #(28, 28)
print("图像标签形状和对应数据为:", train_label_0.shape, train_label_0)         #(1,) [5]
print("\n打印第一个batch的第一个图像，对应标签数字为{}".format(train_label_0))   # [5]

#飞桨将维度是28×28的手写数字图像转成向量形式存储，
# 因此使用飞桨数据加载器读取到的手写数字图像是长度为784（28×28）的向量。

#模型设计
#模型的输入为784维（28×28）数据，输出为1维数据，

# 定义mnist数据识别网络结构，同房价预测网络
#===========================================
class MNIST(paddle.nn.Layer):
    def __init__(self):
        super(MNIST, self).__init__()
        
        # 定义一层全连接层，输出维度是1
        self.fc = paddle.nn.Linear(in_features=784, out_features=1)
        
    # 定义网络结构的前向计算过程
    def forward(self, inputs):
        outputs = self.fc(inputs)
        return outputs
#===========================================

#训练配置
# 声明网络结构
model = MNIST()
def train(model):
    # 启动训练模式
    model.train()
    # 加载训练集 batch_size 设为 16
    train_loader = paddle.io.DataLoader(paddle.vision.datasets.MNIST(mode='train'), 
                                        batch_size=16, 
                                        shuffle=True)
    # 定义优化器，使用随机梯度下降SGD优化器，学习率设置为0.001
    opt = paddle.optimizer.SGD(learning_rate=0.001, parameters=model.parameters())
#===========================================
# 图像归一化函数，将数据范围为[0, 255]的图像归一化到[0, 1]
def norm_img(img):
    # 验证传入数据格式是否正确，img的shape为[batch_size, 28, 28]
    assert len(img.shape) == 3
    batch_size, img_h, img_w = img.shape[0], img.shape[1], img.shape[2]
    # 归一化图像数据
    img = img / 255
    # 将图像形式reshape为[batch_size, 784]
    img = paddle.reshape(img, [batch_size, img_h*img_w])
    
    return img  
#===========================================   
import paddle
# 确保从paddle.vision.datasets.MNIST中加载的图像数据是np.ndarray类型
paddle.vision.set_image_backend('cv2')

# 声明网络结构
model = MNIST()
#===========================================
def run(model):
    # 启动训练模式
    model.train()
    # 加载训练集 batch_size 设为 16
    train_loader = paddle.io.DataLoader(paddle.vision.datasets.MNIST(mode='train'), 
                                        batch_size=16, 
                                        shuffle=True)
    # 定义优化器，使用随机梯度下降SGD优化器，学习率设置为0.001
    opt = paddle.optimizer.SGD(learning_rate=0.001, parameters=model.parameters())
    EPOCH_NUM = 10
    for epoch in range(EPOCH_NUM):
        for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
            images = norm_img(data[0]).astype('float32')
            labels = data[1].astype('float32')
            
            #前向计算的过程
            predicts = model(images)
            
            # 计算损失
            loss = F.square_error_cost(predicts, labels)
            avg_loss = paddle.mean(loss)
            
            #每训练了1000批次的数据，打印下当前Loss的情况
            if batch_id % 1000 == 0:
                print("epoch_id: {}, batch_id: {}, loss is: {}".format(epoch, batch_id, avg_loss.numpy()))
            
            #后向传播，更新参数的过程
            avg_loss.backward()
            opt.step()
            opt.clear_grad()
#===========================================
#调用训练            
run(model)
paddle.save(model.state_dict(), './mnist.pdparams')  

#模型测试

#===========================================
def showImage(im):
  #img_path = 'example_0.jpg'
  # 读取原始图像并显示
  #im = Image.open('example_0.jpg')
  plt.imshow(im)
  plt.show()
  # 将原始图像转为灰度图
  im = im.convert('L')
  print('原始图像shape: ', np.array(im).shape)
  # 使用Image.ANTIALIAS方式采样原始图片
  im = im.resize((28, 28), Image.LANCZOS)
  plt.imshow(im)
  plt.show()
  print("采样后图片shape: ", np.array(im).shape)
#===========================================
im = Image.open('example_0.jpg')
showImage(im)

# 读取一张本地的样例图片，转变成模型输入的格式
#=========================================== 
def load_image(img_path):
    # 从img_path中读取图像，并转为灰度图
    im = Image.open(img_path).convert('L')
    # print(np.array(im))
    im = im.resize((28, 28), Image.LANCZOS)
    im = np.array(im).reshape(1, -1).astype(np.float32)
    # 图像归一化，保持和数据集的数据范围一致
    im = 1 - im / 255
    return im
#=========================================== 
# 定义预测过程
def test():
  model = MNIST()
  params_file_path = 'mnist.pdparams'
  img_path = 'example_0.jpg'
  # 加载模型参数
  param_dict = paddle.load(params_file_path)
  model.load_dict(param_dict)
  # 灌入数据
  model.eval()
  tensor_img = load_image(img_path)  
  result = model(paddle.to_tensor(tensor_img))
  print('result',result)
  #  预测输出取整，即为预测的数字，打印结果
  print("本次预测的数字是", result.numpy().astype('int32'))
#=========================================== 
test();