实战ResNet：CIFAR-10数据集分类

本节将使用ResNet实现CIFAR-10数据集的分类。

7.2.1  CIFAR-10数据集简介

CIFAR-10数据集共有60 000幅彩色图像，这些图像是32×32像素的，分为10类，每类6 000幅图，如图7-9所示。这里面有50 000幅图用于训练，构成了5个训练批，每一批10 000幅图；另外，10 000幅用于测试，单独构成一批。测试批的数据取自100类中的每一类，每一类随机取1000幅。抽剩下的就随机排列组成训练批。注意，一个训练批中的各类图像的数量并不一定相同，总的来看，训练批每一类都有5 000幅图。

图7-9  CIFAR-10数据集

读者自行搜索CIFAR-10数据集下载地址，进入下载页面后，选择下载方式，如图7-10所示。

图7-10  下载方式

由于PyTorch 2.0采用Python语言编程，因此选择Python Version的版本下载。下载之后解压缩，得到如图7-11所示的文件。

图7-11  得到的文件

data_batch_1~data_batch_5是划分好的训练数据，每个文件中包含10 000幅图片，test_batch是测试集数据，也包含10 000幅图片。

读取数据的代码如下：

import pickle

def load_file(filename):

    with open(filename, 'rb') as fo:

        data = pickle.load(fo, encoding='latin1')

    return data

首先定义读取数据的函数，这几个文件都是通过 pickle 产生的，所以在读取的时候也要用到这个包。返回的data是一个字典，先来看这个字典里面有哪些键。

data = load_file('data_batch_1')

print(data.keys())

输出结果如下：

dict_key3(['batch_label', 'labels', 'data', 'filenames'])

具体说明如下。

1. batch_label：对应的值是一个字符串，用来表明当前文件的一些基本信息。
2. labels：对应的值是一个长度为10 000的列表，每个数字取值范围为0~9，代表当前图片所属的类别。
3. data：10000×3072的二维数组，每一行代表一幅图片的像素值。
4. filenames：长度为10 000的列表，里面每一项是代表图片文件名的字符串。

完整的数据读取函数如下：

【程序7-1】

i

import pickle
import numpy as np
import os

def get_cifar10_train_data_and_label(root=""):
    def load_file(filename):
        with open(filename, 'rb') as fo:
            data = pickle.load(fo, encoding='latin1')
        return data

    data_batch_1 = load_file(os.path.join(root, 'data_batch_1'))
    data_batch_2 = load_file(os.path.join(root, 'data_batch_2'))
    data_batch_3 = load_file(os.path.join(root, 'data_batch_3'))
    data_batch_4 = load_file(os.path.join(root, 'data_batch_4'))
    data_batch_5 = load_file(os.path.join(root, 'data_batch_5'))
    dataset = []
    labelset = []
    for data in [data_batch_1, data_batch_2, data_batch_3, data_batch_4, data_batch_5]:
        img_data = (data["data"])
        img_label = (data["labels"])
        dataset.append(img_data)
        labelset.append(img_label)
    dataset = np.concatenate(dataset)
    labelset = np.concatenate(labelset)
    return dataset, labelset

def get_cifar10_test_data_and_label(root=""):
    def load_file(filename):
        with open(filename, 'rb') as fo:
            data = pickle.load(fo, encoding='latin1')
        return data

    data_batch_1 = load_file(os.path.join(root, 'test_batch'))
    dataset = []
    labelset = []
    for data in [data_batch_1]:
        img_data = (data["data"])
        img_label = (data["labels"])
        dataset.append(img_data)
        labelset.append(img_label)
    dataset = np.concatenate(dataset)
    labelset = np.concatenate(labelset)
    return dataset, labelset

def get_CIFAR10_dataset(root=""):
    train_dataset, label_dataset = get_cifar10_train_data_and_label(root=root)
    test_dataset, test_label_dataset = get_cifar10_train_data_and_label(root=root)
    return train_dataset, label_dataset, test_dataset, test_label_dataset

if __name__ == "__main__":
    train_dataset, label_dataset, test_dataset, test_label_dataset = get_CIFAR10_dataset(root="../dataset/cifar-10-batches-py/")

    train_dataset = np.reshape(train_dataset,[len(train_dataset),3,32,32]). astype(np.float32)/255.
    test_dataset = np.reshape(test_dataset,[len(test_dataset),3,32,32]). astype(np.float32)/255.
    label_dataset = np.array(label_dataset)
    test_label_dataset = np.array(test_label_dataset)

其中的root是下载数据解压后的目录参数，os.join函数将其组合成数据文件的位置。最终返回训练文件和测试文件以及它们对应的label。需要说明的是，提取出的文件数据格式为[-1,3072]，因此需要重新对数据维度进行调整，使之适用于模型的输入。

7.2.2  基于ResNet的CIFAR-10数据集分类

前面对ResNet模型以及CIFAR-10数据集进行了介绍，本小节开始使用前面定义的ResNet模型进行分类任务。

上一节已经介绍了CIFAR-10数据集的基本构成，并讲解了ResNet的基本模型结构，接下来直接导入对应的数据和模型即可。完整的模型训练如下：

import torch
import resnet
import get_data
import numpy as np

train_dataset, label_dataset, test_dataset, test_label_dataset = get_data.get_CIFAR10_dataset(root="../dataset/cifar-10-batches-py/")

train_dataset = np.reshape(train_dataset,[len(train_dataset),3,32,32]). astype(np.float32)/255.
test_dataset = np.reshape(test_dataset,[len(test_dataset),3,32,32]). astype(np.float32)/255.
label_dataset = np.array(label_dataset)
test_label_dataset = np.array(test_label_dataset)

device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
model = resnet.resnet18()               #导入Unet模型
model = model.to(device)                #将计算模型传入GPU硬件等待计算
model = torch.compile(model)           #PyTorch 2.0的特性，加速计算速度
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=2e-5)   #设定优化函数
loss_fn = torch.nn.CrossEntropyLoss()

batch_size = 128
train_num = len(label_dataset)//batch_size
for epoch in range(63):
    train_loss = 0.
    for i in range(train_num):
        start = i * batch_size
        end = (i + 1) * batch_size
        x_batch = torch.from_numpy(train_dataset[start:end]).to(device)
        y_batch = torch.from_numpy(label_dataset[start:end]).to(device)
        pred = model(x_batch)
        loss = loss_fn(pred, y_batch.long())
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        train_loss += loss.item()  # 记录每个批次的损失值

    # 计算并打印损失值
    train_loss /= train_num
    accuracy = (pred.argmax(1) == y_batch).type(torch.float32).sum().item() / batch_size
    
    #2048可根据读者GPU显存大小调整
        test_num = 2048
    x_test = torch.from_numpy(test_dataset[:test_num]).to(device)
    y_test = torch.from_numpy(test_label_dataset[:test_num]).to(device)
    pred = model(x_test)
    test_accuracy = (pred.argmax(1) == y_test).type(torch.float32).sum().item() / test_num
    print("epoch：",epoch,"train_loss:", round(train_loss,2), ";accuracy:",round(accuracy,2),";test_accuracy:",round(test_accuracy,2))

在这里使用训练集数据对模型进行训练，之后使用测试集数据对其输出进行测试，训练结果如下：

可以看到，经过5轮训练后，模型在训练集的准确率达到0.99，而在测试集的准确率也达到了0.98，这是一个较好的成绩，模型的性能达到较高水平。

其他层次的模型请读者自行尝试，根据不同的硬件设备，模型的参数和训练集的batch_size都需要做出调整，具体数值读者可以根据需要进行设置。