本文是基于paddle paddle采用CNN实现猫狗识别案例。

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author：小黄
缓慢而坚定的生长

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图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来，是计算机视觉中重要的基本问题

猫狗分类属于图像分类中的粗粒度分类问题

step1.数据准备

#导入需要的包
import paddle as paddle
import paddle.fluid as fluid
import numpy as np
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
import os

（1）数据集介绍

我们使用CIFAR10数据集。CIFAR10数据集包含60,000张32x32的彩色图片，10个类别，每个类包含6,000张。其中50,000张图片作为训练集，10000张作为验证集。这次我们只对其中的猫和狗两类进行预测。

(2)train_reader和test_reader

paddle.dataset.cifar.train10()和test10()分别获取cifar训练集和测试集

paddle.reader.shuffle()表示每次缓存BUF_SIZE个数据项，并进行打乱

paddle.batch()表示每BATCH_SIZE组成一个batch

（3）数据集下载

由于本次实践的数据集稍微比较大，以防出现不好下载的问题，为了提高效率，可以用下面的代码进行数据集的下载。

#!mkdir -p /home/aistudio/.cache/paddle/dataset/cifar/

#!wget “http://ai-atest.bj.bcebos.com/cifar-10-python.tar.gz” -O cifar-10-python.tar.gz

#!mv cifar-10-python.tar.gz /home/aistudio/.cache/paddle/dataset/cifar/

BATCH_SIZE = 128
#用于训练的数据提供器
train_reader = paddle.batch(
    paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.cifar.train10(), 
                          buf_size=BATCH_SIZE * 100),           
    batch_size=BATCH_SIZE)                                
#用于测试的数据提供器
test_reader = paddle.batch(
    paddle.dataset.cifar.test10(),                            
    batch_size=BATCH_SIZE) 

Step2.网络配置

（1）网络搭建

在CNN模型中，卷积神经网络能够更好的利用图像的结构信息。下面定义了一个较简单的卷积神经网络。显示了其结构：输入的二维图像，先经过两次卷积层到池化层，再经过全连接层，最后使用softmax分类作为输出层。

池化是非线性下采样的一种形式，主要作用是通过减少网络的参数来减小计算量，并且能够在一定程度上控制过拟合。通常在卷积层的后面会加上一个池化层。paddlepaddle池化默认为最大池化。是用不重叠的矩形框将输入层分成不同的区域，对于每个矩形框的数取最大值作为输出

def convolutional_neural_network(img):
    # 第一个卷积-池化层
    conv_pool_1 = fluid.nets.simple_img_conv_pool(
        input=img,         # 输入图像
        filter_size=5,     # 滤波器的大小
        num_filters=20,    # filter 的数量。它与输出的通道相同
        pool_size=2,       # 池化核大小2*2
        pool_stride=2,     # 池化步长
        act="relu")        # 激活类型
    # 第二个卷积-池化层
    conv_pool_2 = fluid.nets.simple_img_conv_pool(
        input=conv_pool_1,
        filter_size=5,
        num_filters=50,
        pool_size=2,
        pool_stride=2,
        act="relu")
    # 以softmax为激活函数的全连接输出层，10类数据输出10个数字
    prediction = fluid.layers.fc(input=conv_pool_2, size=10, act='softmax')
    return prediction

（2）定义数据

#定义输入数据
data_shape = [3, 32, 32]
images = fluid.layers.data(name='images', shape=data_shape, dtype='float32')
label = fluid.layers.data(name='label', shape=[1], dtype='int64')

（3）获取分类器

# 获取分类器，用cnn进行分类
predict =  convolutional_neural_network(images

（4）定义损失函数和准确率

这次使用的是交叉熵损失函数，该函数在分类任务上比较常用。

定义了一个损失函数之后，还有对它求平均值，因为定义的是一个Batch的损失值。

同时我们还可以定义一个准确率函数，这个可以在我们训练的时候输出分类的准确率。

# 获取损失函数和准确率
cost = fluid.layers.cross_entropy(input=predict, label=label) # 交叉熵
avg_cost = fluid.layers.mean(cost)                            # 计算cost中所有元素的平均值
acc = fluid.layers.accuracy(input=predict, label=label)       #使用输入和标签计算准确率

（5）定义优化方法

这次我们使用的是Adam优化方法，同时指定学习率为0.001

# 定义优化方法
optimizer =fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.001)
optimizer.minimize(avg_cost)
print("完成")

在上述模型配置完毕后，得到两个fluid.Program：fluid.default_startup_program() 与fluid.default_main_program() 配置完毕了。

参数初始化操作会被写入fluid.default_startup_program()

fluid.default_main_program()用于获取默认或全局main program(主程序)。该主程序用于训练和测试模型。fluid.layers 中的所有layer函数可以向 default_main_program 中添加算子和变量。default_main_program 是fluid的许多编程接口（API）的Program参数的缺省值。例如,当用户program没有传入的时候， Executor.run() 会默认执行 default_main_program 。

Step3.模型训练 and Step4.模型评估

（1）创建Executor

首先定义运算场所 fluid.CPUPlace()和 fluid.CUDAPlace(0)分别表示运算场所为CPU和GPU

Executor:接收传入的program，通过run()方法运行program。

place = fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
exe.run(fluid.default_startup_program())

(2)定义数据映射器

DataFeeder 负责将reader(读取器)返回的数据转成一种特殊的数据结构，使它们可以输入到 Executor

feeder = fluid.DataFeeder( feed_list=[images, label],place=place)

（3）定义绘制训练过程的损失值和准确率变化趋势的方法draw_train_process

iter=0
iters=[]
train_costs=[]
train_accs=[]
def draw_train_process(iters, train_costs, train_accs):
    title="training costs/training accs"
    plt.title(title, fontsize=24)
    plt.xlabel("iter", fontsize=14)
    plt.ylabel("cost/acc", fontsize=14)
    plt.plot(iters, train_costs, color='red', label='training costs')
    plt.plot(iters, train_accs, color='green', label='training accs')
    plt.legend()
    plt.grid()
    plt.show()

（3）训练并保存模型

Executor接收传入的program,并根据feed map(输入映射表)和fetch_list(结果获取表) 向program中添加feed operators(数据输入算子)和fetch operators（结果获取算子)。 feed map为该program提供输入数据。fetch_list提供program训练结束后用户预期的变量。

每一个Pass训练结束之后，再使用验证集进行验证，并打印出相应的损失值cost和准确率acc。

EPOCH_NUM = 3
model_save_dir = "/home/aistudio/data/catdog.inference.model"

for pass_id in range(EPOCH_NUM):
    # 开始训练
    train_cost = 0
    for batch_id, data in enumerate(train_reader()):                        #遍历train_reader的迭代器，并为数据加上索引batch_id
        train_cost,train_acc = exe.run(program=fluid.default_main_program(),#运行主程序
                             feed=feeder.feed(data),                        #喂入一个batch的数据
                             fetch_list=[avg_cost, acc])                    #fetch均方误差和准确率
        if batch_id % 100 == 0:                                             #每100次batch打印一次训练、进行一次测试
            print('Pass:%d, Batch:%d, Cost:%0.5f, Accuracy:%0.5f' % 
            (pass_id, batch_id, train_cost[0], train_acc[0]))
        iter=iter+BATCH_SIZE
        iters.append(iter)
        train_costs.append(train_cost[0])
        train_accs.append(train_acc[0])
    # 开始测试
    test_costs = []                                                         #测试的损失值
    test_accs = []                                                          #测试的准确率
    for batch_id, data in enumerate(test_reader()):
        test_cost, test_acc = exe.run(program=fluid.default_main_program(), #运行测试程序
                                      feed=feeder.feed(data),               #喂入一个batch的数据
                                      fetch_list=[avg_cost, acc])           #fetch均方误差、准确率
        test_costs.append(test_cost[0])                                     #记录每个batch的误差
        test_accs.append(test_acc[0])                                       #记录每个batch的准确率
    test_cost = (sum(test_costs) / len(test_costs))                         #计算误差平均值（误差和/误差的个数）
    test_acc = (sum(test_accs) / len(test_accs))                            #计算准确率平均值（ 准确率的和/准确率的个数）
    print('Test:%d, Cost:%0.5f, ACC:%0.5f' % (pass_id, test_cost, test_acc))
    
    #保存模型
    if not os.path.exists(model_save_dir):
        os.makedirs(model_save_dir)
    fluid.io.save_inference_model(model_save_dir,
                                  ['images'],
                                  [predict],
                                  exe)
print('训练模型保存完成！')
draw_train_process(iters, train_costs,train_accs)

Step5.模型预测

（1）创建预测用的Executor

infer_exe = fluid.Executor(place)
inference_scope = fluid.core.Scope() 

(2)图片预处理

在预测之前，要对图像进行预处理。

首先将图片大小调整为32*32，接着将图像转换成一维向量，最后再对一维向量进行归一化处理。

def load_image(file):
        #打开图片
        im = Image.open(file)
        im = im.convert('RGB')
        #将图片调整为跟训练数据一样的大小  32*32，                   设定ANTIALIAS，即抗锯齿.resize是缩放
        im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS)
        #建立图片矩阵 类型为float32
        im = np.array(im).astype(np.float32)
        #矩阵转置 
        im = im.transpose((2, 0, 1))                               
        #将像素值从【0-255】转换为【0-1】
        im = im / 255.0
        #print(im)       
        im = np.expand_dims(im, axis=0)
        # 保持和之前输入image维度一致
        print('im_shape的维度：',im.shape)
        return im

(3)开始预测

通过fluid.io.load_inference_model，预测器会从params_dirname中读取已经训练好的模型，来对从未遇见过的数据进行预测。

with fluid.scope_guard(inference_scope):
    #从指定目录中加载 推理model(inference model)
    [inference_program, # 预测用的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。
                                                    infer_exe)     #infer_exe: 运行 inference model的 executor
    
    infer_path='/home/aistudio/data/dog.png'
    img = Image.open(infer_path)
    plt.imshow(img)   
    plt.show()    
    
    img = load_image(infer_path)

    results = infer_exe.run(inference_program,                 #运行预测程序
                            feed={
    feed_target_names[0]: img},  #喂入要预测的img
                            fetch_list=fetch_targets)          #得到推测结果
    print('results',results)
    label_list = [
        "airplane", "automobile", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse",
        "ship", "truck"
        ]
    print("infer results: %s" % label_list[np.argmax(results[0])])