（动手学习深度学习）第13章 实战kaggle竞赛：CIFAR-10

1. 导入相关库

import collections
import math
import os
import shutil
import pandas as pd
import torch
import torchvision
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

2. 下载数据集

d2l.DATA_HUB['cifar10_tiny'] = (d2l.DATA_URL + 'kaggle_cifar10_tiny.zip',
                                '2068874e4b9a9f0fb07ebe0ad2b29754449ccacd')

# 如果使用完整的Kaggle竞赛的数据集，设置demo为False
demo = True

if demo:
    data_dir = d2l.download_extract('cifar10_tiny')
else:
    data_dir = '../data/kaggle/cifar-10/'

3. 整理数据集

# 查看数据集
def read_csv_labels(fname):
    """读取‘fname’来给标签字典返回一个文件名"""
    with open(fname, 'r') as f:
        lines = f.readlines()[1:]  # readlines(): 每次读文档的一行，以后还需要逐步循环
        tokens = [l.rstrip().split(',') for l in lines]  # rstrip(): 删除字符串后面（右面）的空格或特殊字符， 还有lstrip（左面）、strip(两面)
        return dict((name, label) for name, label in tokens)

labels = read_csv_labels(os.path.join(data_dir, 'trainLabels.csv'))
print('训练样本：', len(labels))
print('类别：', len(set(labels.values())))  # set(): 集合，里面不能包含重复的元素，接受一个list作为参数

将验证集从原始的训练集钟拆分出来

# 拆分数据集：训练集、验证集
def copyfile(filename, target_dir):
    """将文件复制到目标目录"""
    os.makedirs(target_dir, exist_ok=True)  # 创建多层目录，exist_ok为True：在目标目录已存在的情况下不会触发FileExistsError异常。
    shutil.copy(filename, target_dir)  #拷贝文件，filename：要拷贝的文件；target_dir：目标文件夹

def reorg_train_valid(data_dir, labels, valid_ratio):
    """将验证集从原始训练集钟拆分出来"""
    # 训练数据集中样本数量最少的类别中的样本数
    # Counter: 计数器，返回一个字典，键为元素，值为元素个数;
    # .most_common(): 返回一个列表， 列表元素为（元素，出现次数），默认按出现频率排序
    # [-1]: 样本数量最少的类别（类别， 样本数），[-1][1]: 样本数数量最少的类别中的样本数
    n = collections.Counter(labels.values()).most_common()[-1][1]
    # 验证集中每个类别的样本数
    n_valid_per_label= max(1, math.floor((n * valid_ratio)))  # math.floor(): 向下取整  math.ceil(): 向上取整
    label_count = {}

    # 遍历原始训练集中的每个样本
    for train_file in os.listdir(os.path.join(data_dir, 'train')):
        label = labels[train_file.split('.')[0]]  # 从文件名中提取标签
        fname = os.path.join(data_dir, 'train', train_file)
        copyfile(fname, os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', 'train_valid', label))
        # 如果该类别的样本数还未达到在验证集中的设定数量，则将样本复制到验证集中
        if label not in label_count or label_count[label] < n_valid_per_label:
            copyfile(fname, os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', 'valid', label))
            label_count[label] = label_count.get(label, 0) + 1
        else:
            copyfile(fname, os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', 'train', label))

    return n_valid_per_label

# reorg_test函数用来在预测期间整理测试集，以方便读取
def reorg_test(data_dir):
    """在预测期间整理测试集，以方便读取"""
    # 遍历测试集中的每个样本
    for test_file in os.listdir(os.path.join(data_dir, 'test')):
        # 将测试集中的样本复制到新的目录结构中的 'test' 子目录下，标签为 'unknown'
        copyfile(os.path.join(data_dir, 'test', test_file),
                 os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', 'test', 'unknown'))

# 整个处理数据集函数
def reorg_cifar10_data(data_dir, valid_ratio):
    labels = read_csv_labels(os.path.join(data_dir, 'trainLabels.csv'))
    reorg_train_valid(data_dir, labels, valid_ratio)
    reorg_test(data_dir)

• 这个小规模数据集的批量大小是32，在实际的cifar-10数据集中，可以设为128
• 将10%的训练样本作为调整超参数的验证集

batch_size = 32 if demo else 128
valid_ratio = 0.1
reorg_cifar10_data(data_dir, valid_ratio)

结果会生成一个train_valid_test的文件夹，里面有：
- test文件夹---unknow文件夹：5张没有标签的测试照片
- train_valid文件夹---10个类被的文件夹：每个文件夹包含所属类别的全部照片
- train文件夹--10个类别的文件夹：每个文件夹下包含90%的照片用于训练
- valid文件夹--10个类别的文件夹：每个文件夹下包含10%的照片用于验证

4. 图像增广

transform_train = torchvision.transforms.Compose([
    # 原本图像是32*32，先放大成40*40， 在随机裁剪为32*32，实现训练数据的增强
    torchvision.transforms.Resize(40),
    torchvision.transforms.RandomResizedCrop(32, scale=(0.64, 1.0), ratio=(1.0, 1.0)),
    torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(),
    torchvision.transforms.ToTensor(),
    torchvision.transforms.Normalize(
        [0.4914, 0.4822, 0.4465],[0.2023, 0.1994, 0.2010]
    )
])
transform_test = torchvision.transforms.Compose([
    torchvision.transforms.ToTensor(),
    # 标准化图像的每个通道 ： 消除评估结果中的随机性
    torchvision.transforms.Normalize(
        [0.4914, 0.4822, 0.4465],[0.2023, 0.1994, 0.2010]
    )
])

5. 加载数据集

train_ds, train_valid_ds = [
    torchvision.datasets.ImageFolder(
        os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', folder),transform=transform_train
    ) for folder in ['train', 'train_valid']
]
valid_ds, test_ds = [
    torchvision.datasets.ImageFolder(
        os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', folder), transform=transform_test
    ) for folder in ['valid', 'test']
]

6. 定义迭代器，方便快速迭代数据

train_iter, train_valid_iter = [
    torch.utils.data.DataLoader(
        dataset, batch_size, shuffle=True, drop_last=True
    ) for dataset in (train_ds, train_valid_ds)
]
valid_iter = torch.utils.data.DataLoader(
    valid_ds, batch_size, shuffle=False, drop_last=True
)
test_iter = torch.utils.data.DataLoader(
    test_ds, batch_size, shuffle=False, drop_last=False
)

7. 定义模型与损失函数

# 对resnet18做微调，输入通道数为3， 输出类别数为10
def get_net():
    num_classes = 10
    net = d2l.resnet18(num_classes, in_channels=3)
    return net

# 查看网络模型
get_net()

# 使用交叉熵损失函数作为损失函数: 直接返回n分样本的loss
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')

8. 定义训练函数

# 定义训练函数
def train(net, train_iter, valid_iter, num_epochs, lr, wd, devices, lr_period, lr_decay):
    trainer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr, momentum=0.9, weight_decay=wd)
    scheduler = torch.optim.lr_scheduler.StepLR(trainer, lr_period, lr_decay)
    num_batches, timer = len(train_iter), d2l.Timer()
    legend = ['train loss', 'train acc']
    if valid_iter is not None:
        legend.append('valid acc')
    animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs], legend=legend)
    net = nn.DataParallel(net, device_ids=devices).to(devices[0])
    for epoch in range(num_epochs):
        net.train()
        metric = d2l.Accumulator(3)
        for i, (features, labels) in enumerate(train_iter):
            timer.start()
            l, acc = d2l.train_batch_ch13(net, features, labels, loss, trainer, devices)
            metric.add(l, acc, labels.shape[0])
            timer.stop()
            if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:
                animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,
                             (metric[0]/ metric[2], metric[1] / metric[2], None))
        if valid_iter is not None:
            valid_acc = d2l.evaluate_accuracy_gpu(net, valid_iter)
            animator.add(epoch+1, (None, None, valid_acc))
        scheduler.step()
    measures = (f'train loss {metric[0] / metric[2]:.3f},'
                f'train acc{metric[1] / metric[2]:.3f}')
    if valid_iter is not None:
        measures += f', valid acc {valid_acc:.3f}'
    print(measures + f'\n{metric[2] * num_epochs /timer.sum():.1f}'
                     f'example/sec on {str(devices)}')

9. 训练模型
   • （数据集太小，导致精度不高）

import time

# 在开头设置开始时间
start = time.perf_counter()  # start = time.clock() python3.8之前可以

# 训练和验证模型
devices, num_epochs, lr, wd = d2l.try_all_gpus(), 20, 2e-4, 5e-4
lr_period, lr_decay, net = 4, 0.9, get_net()
train(net, train_iter, valid_iter, num_epochs, lr, wd, devices, lr_period, lr_decay)

# 在程序运行结束的位置添加结束时间
end = time.perf_counter()  # end = time.clock()  python3.8之前可以

# 再将其进行打印，即可显示出程序完成的运行耗时
print(f'运行耗时{(end-start):.4f}')

10. 对测试集进行分类并提交结果

net, preds = get_net(), []
train(net ,train_valid_iter, None, num_epochs, lr, wd, devices, lr_period, lr_decay)
for X, _ in test_iter:
    y_hat = net(X.to(devices[0]))
    preds.extend(y_hat.argmax(dim=1).type(torch.int32).cpu().numpy())
sorted_ids = list(range(1, len(test_ds) + 1))
sorted_ids.sort(key=lambda x: str(x))
df = pd.DataFrame({'id' : sorted_ids, 'label': preds})
df['label'] = df['label'].apply(lambda x: train_valid_ds.classes[x])
df.to_csv('submission.csv', index=False)