机器学习-深度学习入门CV-手写数字识别实验

机器学习-深度学习入门CV-手写数字识别

实验要求

本实践使用多层感知器训练（DNN）模型，用于预测手写数字图片。

实践总体过程和步骤

如下图

实验结果展示

learning_rate 是学习率(它的大小与网络的训练收敛速度有关系)

实验代码

import numpy as np
import paddle as paddle
import paddle.fluid as fluid
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
import os
BUF_SIZE=512
BATCH_SIZE=128
#用于训练的数据提供器，每次从缓存中随机读取批次大小的数据
train_reader = paddle.batch(
    paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.mnist.train(),
                          buf_size=BUF_SIZE),
    batch_size=BATCH_SIZE)
#用于训练的数据提供器，每次从缓存中随机读取批次大小的数据
test_reader = paddle.batch(
    paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.mnist.test(),
                          buf_size=BUF_SIZE),
    batch_size=BATCH_SIZE)
    
#用于打印，查看mnist数据
train_data=paddle.dataset.mnist.train();
sampledata=next(train_data())
print(sampledata)
# 定义多层感知器 
def multilayer_perceptron(input): 
    # 第一个全连接层，激活函数为ReLU 
    hidden1 = fluid.layers.fc(input=input, size=100, act='relu') 
    # 第二个全连接层，激活函数为ReLU 
    hidden2 = fluid.layers.fc(input=hidden1, size=100, act='relu') 
    # 以softmax为激活函数的全连接输出层，输出层的大小必须为数字的个数10 
    prediction = fluid.layers.fc(input=hidden2, size=10, act='softmax') 
    return prediction 
# 输入的原始图像数据，大小为1*28*28
image = fluid.layers.data(name='image', shape=[1, 28, 28], dtype='float32')#单通道，28*28像素值
# 标签，名称为label,对应输入图片的类别标签
label = fluid.layers.data(name='label', shape=[1], dtype='int64')          #图片标签
# 获取分类器
predict = multilayer_perceptron(image)
#使用交叉熵损失函数,描述真实样本标签和预测概率之间的差值
cost = fluid.layers.cross_entropy(input=predict, label=label)  
# 使用类交叉熵函数计算predict和label之间的损失函数
avg_cost = fluid.layers.mean(cost)
# 计算分类准确率
acc = fluid.layers.accuracy(input=predict, label=label)
 #使用Adam算法进行优化, learning_rate 是学习率(它的大小与网络的训练收敛速度有关系)
optimizer = fluid.optimizer.AdamOptimizer(learning_rate=0.001)  
opts = optimizer.minimize(avg_cost)
# 定义使用CPU还是GPU，使用CPU时use_cuda = False,使用GPU时use_cuda = True
use_cuda = False
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace()
# 获取测试程序
test_program = fluid.default_main_program().clone(for_test=True)
exe = fluid.Executor(place)
exe.run(fluid.default_startup_program())
feeder = fluid.DataFeeder(place=place, feed_list=[image, label])
all_train_iter=0
all_train_iters=[]
all_train_costs=[]
all_train_accs=[]

def draw_train_process(title,iters,costs,accs,label_cost,lable_acc):
    plt.title(title, fontsize=24)
    plt.xlabel("iter", fontsize=20)
    plt.ylabel("cost/acc", fontsize=20)
    plt.plot(iters, costs,color='red',label=label_cost) 
    plt.plot(iters, accs,color='green',label=lable_acc) 
    plt.legend()
EPOCH_NUM=2
model_save_dir = "/home/aistudio/work/hand.inference.model"
for pass_id in range(EPOCH_NUM):
    # 进行训练
    for batch_id, data in enumerate(train_reader()):                         #遍历train_reader
        train_cost, train_acc = exe.run(program=fluid.default_main_program(),#运行主程序
                                        feed=feeder.feed(data),              #给模型喂入数据
                                        fetch_list=[avg_cost, acc])          #fetch 误差、准确率  
        
        all_train_iter=all_train_iter+BATCH_SIZE
        all_train_iters.append(all_train_iter)
        
        all_train_costs.append(train_cost[0])
        all_train_accs.append(train_acc[0])
        
        # 每200个batch打印一次信息  误差、准确率
        if batch_id % 200 == 0:
            print('Pass:%d, Batch:%d, Cost:%0.5f, Accuracy:%0.5f' %
                  (pass_id, batch_id, train_cost[0], train_acc[0]))

    plt.show()
# 进行测试
    test_accs = []
    test_costs = []
    #每训练一轮 进行一次测试
    for batch_id, data in enumerate(test_reader()):                         #遍历test_reader
        test_cost, test_acc = exe.run(program=test_program, #执行训练程序
                                      feed=feeder.feed(data),               #喂入数据
                                      fetch_list=[avg_cost, acc])           #fetch 误差、准确率
        test_accs.append(test_acc[0])                                       #每个batch的准确率
        test_costs.append(test_cost[0])                                     #每个batch的误差
        
       
    # 求测试结果的平均值
    test_cost = (sum(test_costs) / len(test_costs))                         #每轮的平均误差
    test_acc = (sum(test_accs) / len(test_accs))                            #每轮的平均准确率
    print('Test:%d, Cost:%0.5f, Accuracy:%0.5f' % (pass_id, test_cost, test_acc))
    #保存模型
    # 如果保存路径不存在就创建
if not os.path.exists(model_save_dir):
    os.makedirs(model_save_dir)
print ('save models to %s' % (model_save_dir))
fluid.io.save_inference_model(model_save_dir,   #保存推理model的路径
                                  ['image'],    #推理（inference）需要 feed 的数据
                                  [predict],    #保存推理（inference）结果的 Variables
                                  exe)             #executor 保存 inference model

print('训练模型保存完成！')
draw_train_process("training",all_train_iters,all_train_costs,all_train_accs,"trainning cost","trainning acc")
def load_image(file):
    im = Image.open(file).convert('L')                        #将RGB转化为灰度图像，L代表灰度图像，像素值在0~255之间
    im = im.resize((28, 28), Image.ANTIALIAS)                 #resize image with high-quality 图像大小为28*28
    im = np.array(im).reshape(1, 1, 28, 28).astype(np.float32)#返回新形状的数组,把它变成一个 numpy 数组以匹配数据馈送格式。
    # print(im)
    im = im / 255.0 * 2.0 - 1.0                               #归一化到【-1~1】之间
    return im
infer_path='/home/aistudio/data/data1910/infer_3.png'
img = Image.open(infer_path)
plt.imshow(img)   #根据数组绘制图像
plt.show()        #显示图像
# 加载数据并开始预测
with fluid.scope_guard(inference_scope):
    #获取训练好的模型
    #从指定目录中加载 推理model(inference model)
    [inference_program,                                            #推理Program
     feed_target_names,                                            #是一个str列表，它包含需要在推理 Program 中提供数据的变量的名称。 
     fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model(model_save_dir,#fetch_targets：是一个 Variable 列表，从中我们可以得到推断结果。model_save_dir：模型保存的路径
                                                    infer_exe)     #infer_exe: 运行 inference model的 executor
    img = load_image(infer_path)

    results = infer_exe.run(program=inference_program,               #运行推测程序
                   feed={feed_target_names[0]: img},           #喂入要预测的img
                   fetch_list=fetch_targets)                   #得到推测结果,  
    # 获取概率最大的label
    lab = np.argsort(results)                                  #argsort函数返回的是result数组值从小到大的索引值
    #print(lab)
    print("该图片的预测结果的label为: %d" % lab[0][0][-1])     #-1代表读取数组中倒数第一列 

实验感想

学习率不是越大越好。只根据总样本集中的一个批次计算梯度，抽样误差会导致计算出的梯度不是全局最优的方向，且存在波动。在接近最优解时，过大的学习率会导致参数在最优解附近震荡，损失难以收敛，数据并行的方式与众人拾柴火焰高的道理类似，如果把训练数据比喻为砖头，把一个设备（GPU）比喻为一个人，那单GPU训练就是一个人在搬砖，多GPU训练就是多个人同时搬砖，每次搬砖的数量倍数增加，效率呈倍数提升。值得注意的是，每个设备的模型是完全相同的，但是输入数据不同，因此每个设备的模型计算出的梯度是不同的。如果每个设备的梯度只更新当前设备的模型，就会导致下次训练时，每个模型的参数都不相同。因此我们还需要一个梯度同步机制，保证每个设备的梯度是完全相同的。