【深度学习计算机视觉】13：实战Kaggle比赛：图像分类 (CIFAR-10) - 指南

【作者主页】Francek Chen
【专栏介绍】$\lceil$PyTorch深度学习$\rfloor$ 深度学习 (DL, Deep Learning) 特指基于深层神经网络模型和方法的机器学习。它是在统计机器学习、人工神经网络等算法模型基础上，结合当代大数据和大算力的发展而发展出来的。深度学习最重要的技术特征是具有自动提取特征的能力。神经网络算法、算力和数据是开展深度学习的三要素。深度学习在计算机视觉、自然语言处理、多模态数据分析、科学探索等领域都取得了很多成果。本专栏介绍基于PyTorch的深度学习算法实现。
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文章目录

• • 一、获取并组织数据集
  • • （一）下载数据集
    • （二）整理数据集
  • 二、图像增广
  • 三、读取数据集
  • 四、定义模型
  • 五、定义训练函数
  • 六、训练和验证模型
  • 七、在Kaggle上对测试集进行分类并提交结果
  • 小结

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  之前几篇文章中，我们一直在使用深度学习框架的高级API直接获取张量格式的图像数据集。但是在实践中，图像数据集通常以图像文件的形式出现。本文将从原始图像文件开始，然后逐步组织、读取并将它们转换为张量格式。

  我们在图像增广中对CIFAR-10数据集做了一个实验。CIFAR-10是计算机视觉领域中的一个重要的数据集。本节将运用我们在前几节中学到的知识来参加CIFAR-10图像分类问题的Kaggle竞赛，比赛的网址是https://www.kaggle.com/c/cifar-10。

  图1显示了竞赛网站页面上的信息。为了能提交结果，首先需要注册一个Kaggle账户。

图1 CIFAR-10图像分类竞赛页面上的信息。竞赛用的数据集可通过点击“Data”选项卡获取

  首先，导入竞赛所需的包和模块。

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

一、获取并组织数据集

  比赛数据集分为训练集和测试集，其中训练集包含50000张、测试集包含300000张图像。在测试集中，10000张图像将被用于评估，而剩下的290000张图像将不会被进行评估，包含它们只是为了防止手动标记测试集并提交标记结果。两个数据集中的图像都是png格式，高度和宽度均为32像素并有三个颜色通道（RGB）。这些图片共涵盖10个类别：飞机、汽车、鸟类、猫、鹿、狗、青蛙、马、船和卡车。图1的左上角显示了数据集中飞机、汽车和鸟类的一些图像。

（一）下载数据集

  登录Kaggle后，我们可以点击图1中显示的CIFAR-10图像分类竞赛网页上的“Data”选项卡，然后单击“Download All”按钮下载数据集。在../data中解压下载的文件并在其中解压缩train.7z和test.7z后，在以下路径中可以找到整个数据集：

• ../data/cifar-10/train/[1-50000].png
• ../data/cifar-10/test/[1-300000].png
• ../data/cifar-10/trainLabels.csv
• ../data/cifar-10/sampleSubmission.csv

train和test文件夹分别包含训练和测试图像，trainLabels.csv含有训练图像的标签，sample_submission.csv是提交文件的范例。

  为了便于入门，我们提供包含前1000个训练图像和5个随机测试图像的数据集的小规模样本。要使用Kaggle竞赛的完整数据集，需要将以下demo变量设置为False。

#@save
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/cifar-10/'

（二）整理数据集

  我们需要整理数据集来训练和测试模型。首先，我们用以下函数读取CSV文件中的标签，它返回一个字典，该字典将文件名中不带扩展名的部分映射到其标签。

#@save
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:
# 跳过文件头行(列名)
lines = f.readlines()[1:]
tokens = [l.rstrip().split(',') for l in lines]
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())))

  接下来，我们定义reorg_train_valid函数来将验证集从原始的训练集中拆分出来。此函数中的参数valid_ratio是验证集中的样本数与原始训练集中的样本数之比。更具体地说，令$n$等于样本最少的类别中的图像数量，而$r$是比率。验证集将为每个类别拆分出$\max (\lfloor nr\rfloor ,1)$张图像。让我们以valid_ratio=0.1为例，由于原始的训练集有50000张图像，因此train_valid_test/train路径中将有45000张图像用于训练，而剩下5000张图像将作为路径train_valid_test/valid中的验证集。组织数据集后，同类别的图像将被放置在同一文件夹下。

#@save
def copyfile(filename, target_dir):
"""将文件复制到目标目录"""
os.makedirs(target_dir, exist_ok=True)
shutil.copy(filename, target_dir)
#@save
def reorg_train_valid(data_dir, labels, valid_ratio):
"""将验证集从原始的训练集中拆分出来"""
# 训练数据集中样本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))
label_count = {}
for train_file in os.listdir(os.path.join(data_dir, 'train')):
label = labels[train_file.split('.')[0]]
fname = os.path.join(data_dir, 'train', train_file)
copyfile(fname, os.path.join(data_dir, 'train_valid_test',
'train_valid', label))
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

  下面的reorg_test函数用来在预测期间整理测试集，以方便读取。

#@save
def reorg_test(data_dir):
"""在预测期间整理测试集，以方便读取"""
for test_file in os.listdir(os.path.join(data_dir, 'test')):
copyfile(os.path.join(data_dir, 'test', test_file),
os.path.join(data_dir, 'train_valid_test', 'test',
'unknown'))

  最后，我们使用一个函数来调用前面定义的函数read_csv_labels、reorg_train_valid和reorg_test。

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)

  在这里，我们只将样本数据集的批量大小设置为32。在实际训练和测试中，应该使用Kaggle竞赛的完整数据集，并将batch_size设置为更大的整数，例如128。我们将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)

二、图像增广

  我们使用图像增广来解决过拟合的问题。例如在训练中，我们可以随机水平翻转图像。我们还可以对彩色图像的三个RGB通道执行标准化。下面，我们列出了其中一些可以调整的操作。

transform_train = torchvision.transforms.Compose([
# 在高度和宽度上将图像放大到40像素的正方形
torchvision.transforms.Resize(40),
# 随机裁剪出一个高度和宽度均为40像素的正方形图像，
# 生成一个面积为原始图像面积0.64～1倍的小正方形，
# 然后将其缩放为高度和宽度均为32像素的正方形
torchvision.transforms.RandomResizedCrop(32, scale=(0.64, 1.0),
ratio=(1.0, 1.0)),
torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(),
torchvision.transforms.ToTensor(),
# 标准化图像的每个通道
torchvision.transforms.Normalize([0.4914, 0.4822, 0.4465],
[0.2023, 0.1994, 0.2010])])

  在测试期间，我们只对图像执行标准化，以消除评估结果中的随机性。

transform_test = torchvision.transforms.Compose([
torchvision.transforms.ToTensor(),
torchvision.transforms.Normalize([0.4914, 0.4822, 0.4465],
[0.2023, 0.1994, 0.2010])])

三、读取数据集

  接下来，我们读取由原始图像组成的数据集，每个样本都包括一张图片和一个标签。

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']]

  在训练期间，我们需要指定上面定义的所有图像增广操作。当验证集在超参数调整过程中用于模型评估时，不应引入图像增广的随机性。在最终预测之前，我们根据训练集和验证集组合而成的训练模型进行训练，以充分利用所有标记的数据。

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)

四、定义模型

  我们定义了残差网络（ResNet）中描述的Resnet-18模型。

def get_net():
num_classes = 10
net = d2l.resnet18(num_classes, 3)
return net
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction="none")

五、定义训练函数

  我们将根据模型在验证集上的表现来选择模型并调整超参数。下面我们定义了模型训练函数train。

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' examples/sec on {str(devices)}')

六、训练和验证模型

  现在，我们可以训练和验证模型了，而以下所有超参数都可以调整。例如，我们可以增加周期的数量。当lr_period和lr_decay分别设置为4和0.9时，优化算法的学习速率将在每4个周期乘以0.9。为便于演示，我们在这里只训练20个周期。

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)

七、在Kaggle上对测试集进行分类并提交结果

  在获得具有超参数的满意的模型后，我们使用所有标记的数据（包括验证集）来重新训练模型并对测试集进行分类。

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)

  向Kaggle提交结果的方法与实战Kaggle比赛：预测房价中的方法类似，上面的代码将生成一个submission.csv文件，其格式符合Kaggle竞赛的要求。

小结

• 将包含原始图像文件的数据集组织为所需格式后，我们可以读取它们。
• 我们可以在图像分类竞赛中使用卷积神经网络和图像增广。