Week-T11-优化器对比试验

• 本文为365天深度学习训练营 中的学习记录博客
• 原作者：K同学啊 | 接辅导、项目定制

本文主要探究不同优化器、以及不同参数配置对模型的影响，最终对Adam、SGD优化器进行比较，并绘制比较结果。

使用的数据集为咖啡豆数据集，共有四类。

优化器常用的有Adam、SGD。优化器的归纳将放在文末的总结部分。

本文将使用Adam优化器的模型命名为"model1"，使用SGD优化器的模型命名为"model2"，然后根据模型训练结果绘制各自的Accuracy-Loss图。比较得出，在运行环境、epoch次数相同、模型结构相同等条件下，Adam优化器的整体情况要优于SGD优化器。

一、准备环境

# 1. 设置环境
import sys
import tensorflow as tf
from datetime import datetime

from tensorflow          import keras
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas            as pd
import numpy             as np
import warnings,os,PIL,pathlib

print("---------------------1.配置环境------------------")
print("Start time: ", datetime.today())
print("tensorflow version: " + tf.__version__)
print("Python version: " + sys.version)

gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    gpu0 = gpus[0] #如果有多个GPU，仅使用第0个GPU
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu0, True) #设置GPU显存用量按需使用
    tf.config.set_visible_devices([gpu0],"GPU")
        # 打印显卡信息，确认GPU可用
    print("GPU: " + gpus)
else:
    print("Using CPU")

warnings.filterwarnings("ignore")             #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif']    = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False    # 用来正常显示负号

Q1： VSCode虚拟环境安装pandas
(1)打开VSCode中虚拟环境的python.exe所在的目录，如本文的位置是/venv/Scripts/，进入到该目录下；
(2)输入： .\pip install pandas -i http://pypi.douban.com/simple --trusted-host pypi.douban.com

二、准备数据

# 2.导入数据
# 本次使用咖啡豆数据集（共4类）
print("---------------------2.1 从本地读取数据------------------")
data_dir    = "D:/jupyter notebook/DL-100-days/datasets/coffebeans-data"
data_dir    = pathlib.Path(data_dir)
image_count = len(list(data_dir.glob('*/*')))
print("图片总数为：",image_count)

batch_size = 16
img_height = 336
img_width  = 336

"""
关于image_dataset_from_directory()的详细介绍可以参考文章：https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/117018789
"""
print("---------------------2.2 划分训练数据------------------")
train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="training",
    seed=12,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

"""
关于image_dataset_from_directory()的详细介绍可以参考文章：https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/117018789
"""
print("---------------------2.3 划分验证数据------------------")
val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=12,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

print("---------------------2.4 打印数据类别 && 数据的shape------------------")
class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

for image_batch, labels_batch in train_ds:
    print(image_batch.shape)
    print(labels_batch.shape)
    break

print("---------------------2.5 配置数据集------------------")
AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

def train_preprocessing(image,label):
    return (image/255.0,label)

train_ds = (
    train_ds.cache()
    .shuffle(1000)
    .map(train_preprocessing)    # 这里可以设置预处理函数
#     .batch(batch_size)           # 在image_dataset_from_directory处已经设置了batch_size
    .prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
)

val_ds = (
    val_ds.cache()
    .shuffle(1000)
    .map(train_preprocessing)    # 这里可以设置预处理函数
#     .batch(batch_size)         # 在image_dataset_from_directory处已经设置了batch_size
    .prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
)

print("---------------------2.6 数据可视化，显示部分样本图片------------------")
plt.figure(figsize=(10, 8))  # 图形的宽为10高为5
plt.suptitle("数据展示")

for images, labels in train_ds.take(1):
    for i in range(15):
        plt.subplot(4, 5, i + 1)
        plt.xticks([])
        plt.yticks([])
        plt.grid(False)

        # 显示图片
        plt.imshow(images[i])
        # 显示标签
        plt.xlabel(class_names[labels[i]-1])

plt.show()
plt.savefig("./数据展示.jpg")

Q2：plt.savefig("./数据展示.jpg")保存的图片在文件夹内打开是空白的

三、搭建训练网络

print("---------------------3. 搭建训练网络，此处预训练模型调用VGG-16官方模型------------------")
# 自定义一个创建模型的函数，形参是优化器类型，预训练模型是VGG-16，但屏蔽了自带的训练部分以及顶层，然后对输出进行处理
# 在此处创建了两个网络，拥有不同的优化器类型
from tensorflow.keras.layers import Dropout,Dense,BatchNormalization
from tensorflow.keras.models import Model

def create_model(optimizer='adam'):
    # 加载预训练模型
    vgg16_base_model = tf.keras.applications.vgg16.VGG16(weights='imagenet',
                                                                include_top=False,
                                                                input_shape=(img_width, img_height, 3),
                                                                pooling='avg')
    for layer in vgg16_base_model.layers:
        layer.trainable = False

    X = vgg16_base_model.output
    
    X = Dense(170, activation='relu')(X)
    X = BatchNormalization()(X)
    X = Dropout(0.5)(X)

    output = Dense(len(class_names), activation='softmax')(X)
    vgg16_model = Model(inputs=vgg16_base_model.input, outputs=output)

    vgg16_model.compile(optimizer=optimizer,
                        loss='sparse_categorical_crossentropy',
                        metrics=['accuracy'])
    return vgg16_model

model1 = create_model(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam())
model2 = create_model(optimizer=tf.keras.optimizers.SGD())
model2.summary()

三、训练模型

print("---------------------4.启动训练，epoch==50------------------")
# try：加入早停试一下，一个epoch跑完要220s，时间还是有点久
NO_EPOCHS = 50

history_model1  = model1.fit(train_ds, epochs=NO_EPOCHS, verbose=1, validation_data=val_ds)
history_model2  = model2.fit(train_ds, epochs=NO_EPOCHS, verbose=1, validation_data=val_ds)

（1）VSCode训练情况：

model1.fit()：Adam优化器

model2.fit()：SGD优化器

（2）jupyter notebook训练情况：

model1.fit()：即Adam优化器

model2.fit()：即SGD优化器

四、模型评估 & 模型预测

1、绘制Accuracy-Loss图

print("---------------------5.1 模型评估，绘制Accuracy-Loss图------------------")
from matplotlib.ticker import MultipleLocator
plt.rcParams['savefig.dpi'] = 300 #图片像素
plt.rcParams['figure.dpi']  = 300 #分辨率

acc1     = history_model1.history['accuracy']
acc2     = history_model2.history['accuracy']
val_acc1 = history_model1.history['val_accuracy']
val_acc2 = history_model2.history['val_accuracy']

loss1     = history_model1.history['loss']
loss2     = history_model2.history['loss']
val_loss1 = history_model1.history['val_loss']
val_loss2 = history_model2.history['val_loss']

epochs_range = range(len(acc1))

plt.figure(figsize=(16, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, acc1, label='Training Accuracy-Adam')
plt.plot(epochs_range, acc2, label='Training Accuracy-SGD')
plt.plot(epochs_range, val_acc1, label='Validation Accuracy-Adam')
plt.plot(epochs_range, val_acc2, label='Validation Accuracy-SGD')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
# 设置刻度间隔，x轴每1一个刻度
ax = plt.gca()
ax.xaxis.set_major_locator(MultipleLocator(1))

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, loss1, label='Training Loss-Adam')
plt.plot(epochs_range, loss2, label='Training Loss-SGD')
plt.plot(epochs_range, val_loss1, label='Validation Loss-Adam')
plt.plot(epochs_range, val_loss2, label='Validation Loss-SGD')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
   
# 设置刻度间隔，x轴每1一个刻度
ax = plt.gca()
ax.xaxis.set_major_locator(MultipleLocator(1))
plt.savefig("./Accuracy-Loss图.jpg")
plt.show()

plt.show()显示的图片：

比较Accuracy图表，可以看出训练时Adam优化器的表现要稍优于SGD优化器，而验证时则相反。

Q: VSCode绘制出来的图咋这么奇怪？
改变plt.savefig("./Accuracy-Loss图.jpg")的位置后所保存的图片，比直接plt.show()的图片比例要好些。

2、显示model2的预测效果

print("---------------------5.2 模型预测------------------")
def test_accuracy_report(model):
    score = model.evaluate(val_ds, verbose=0)
    print('Loss function: %s, accuracy:' % score[0], score[1])
    
test_accuracy_report(model2)

VSCode环境下的预测结果：

jupyter notebook环境下的预测结果：

五、总结

1、plt.savefig("./数据展示.jpg")保存的图片在文件夹内打开是空白的，如下图所示：

将保存的语句放在plt.show()之前，因为plt.show()之后会默认打开一个空白画板。

2. 优化器是什么？包括哪些？

（参考文章也是来自训练营文章）

优化器是什么？

• 优化器是一种算法，它在模型优化过程中，动态地调整梯度的大小和方向，使模型能够收敛到更好的位置，或者用更快的速度进行收敛。
• 各类优化器方法总结如下：