chapter03_深入研究神经网络的构建块_2

机器学习问题的解决方案框架

机器学习项目的工作流程包括问题陈述、评估、特征工程和避免过拟合

问题定义和数据集创建

要定义问题，包括两件重要的事情：输入数据和问题的类型。
输入数据和目标标签将是什么？例如，通过客户的评论，根据他们的特色菜品对餐馆进行分类，比如意大利、墨西哥、中国和印度的食物。要开始处理这种问题，需要手动手动将训练数据标注为可能的类别之一，然后才能在其上训练算法。在这个阶段，数据可用性通常是一个具有挑战性的因素。

识别问题的类型将有助于确定它是否为二进制分类、多分类、标量回归（房屋定价）或向量回归（边界框）。有时，可能还会需要使用一些无监督的技术，如聚类和降维。一旦确定了问题类型，就更容易确定应该使用哪种体系结构、损失函数和优化器。

对模型的评估

一个模型的好坏是由业务目标直接决定的。例如，当试图预测下一次机器故障将发生在风车中时，我们会更感兴趣地了解该模型能够预测故障的次数。使用简单的精度可能是错误的度量，因为大多数情况下，模型将正确地预测机器何时不会发生故障，因为这是最常见的输出。假设我们的准确率为98%，而且模型每次在预测故障率时都是错误的–但是这些模型在现实世界中可能没有任何用处。选择正确的成功度量对于业务问题至关重要。通常，这类问题有不平衡的数据集。
对于平衡分类问题，如果所有类都具有可能的精度，ROC和曲线下的面积(AUC)是常见的度量。对于不平衡的数据集，我们可以使用精确和回忆。对于排序问题，我们可以使用平均精度。

split函数及 rename函数

   import re 
   text = '你好！吃早饭了吗？再见。
   print('split1:')
   print(text.split('！'))
   # [64]: ['你好', '吃早饭了吗？再见。']
   print('split2:')
   print(text.split(',|？'))  #python内建的split()函数只能使用单个分隔符,若有多个，则不划分
   # [65]: ['你好！吃早饭了吗？再见。']
   Re = re.split('。|！|？', text)    #  re可以实现多个分隔符的划分
   # import re模块的split()函数可以使用多个分隔符对句子进行分割，其中不同的分隔符要用 “|” 隔开。
   print('Re:')
   print(Re)
   # [67]: ['你好', '吃早饭了吗', '再见', '']

    # # os.path.split()：按照路径将文件名和路径分割开
    # # split()：拆分字符串。通过指定分隔符对字符串进行切片，并返回分割 后的字符串列表（list）
    # # 1、split()函数， #python内建的split()函数只能使用单个分隔符,若有多个，则不划分
    # # 语法：str.split(str="",num=string.count(str))[n]
    # #
    # # 参数说明：
    # # str:表示为分隔符，默认为空格，但是不能为空('')。若字符串中没有分隔符，则把整个字符串作为列表的一个元素
    # # num:表示分割次数。如果存在参数num，则仅分隔成 num+1 个子字符串，并且每一个子字符串可以赋给新的变量
    # # [n]:表示选取第n个分片，当n= -1时，返回的是分割后的最后一个分片
    # #
    # # 注意：当使用空格作为分隔符时，对于中间为空的项会自动忽略
    # # 2、os.path.split()函数
    # # 语法：os.path.split('PATH')
    # #
    # # 参数说明：
    # #
    # # 1.PATH指一个文件的全路径作为参数：
    # #
    # # 2.如果给出的是一个目录和文件名，则输出路径和文件名
    # #
    # # 3.如果给出的是一个目录名，则输出路径和为空文件名
    # # os.rename() 方法用于命名文件或目录，从 src 到 dst,如果dst是一个存在的目录, 将抛出OSError。

rename函数的使用技巧

    for i in shuffle[:500]:
        folder = files[i].split('/')[-1].split('.')[0]
        image = files[i].split('/')[-1]
        os.rename(files[i],os.path.join(path,'valid',folder,image))
    for i in shuffle[500:1400]:
        folder = files[i].split('/')[-1].split('.')[0]
        image = files[i].split('/')[-1]
        os.rename(files[i],os.path.join(path,'train',folder,image))

通过上述代码可以很方便的对数据进行预处理，将valid和train数据按照类别进行划分，分别把valid和train中的cat照片和dog照片分类放入cat和dog文件夹下；一次完成了文件夹的创建及照片的分类。

图片分类

提取shuffle里的前2000个元素，分别放入train的cat及dog里，2000以后的元素，分别放入valid的cat及dog里

  # Copy a small subset of images into the validation folder and train 提取     shuffle里的前2000个元素，分别放入train的cat及dog里，valid的cat及dog里， 已经放好
 for i in shuffle[:2000]:
 folder = files[i].split('\\')[-1].split('.')[0]
 # print('folder:')
 # print(folder)
 if folder == 'dog':
     shutil.copyfile(files[i], 'F:\inner\kaggle\\valid\dog\dog.'+str(i)+'.jpg')
 else:
     shutil.copyfile(files[i],'F:\inner\kaggle\\valid\cat\cat.'+str(i)+'.jpg')
 for i in shuffle[2000:]:
 folder = files[i].split('\\')[-1].split('.')[0]
 if folder == 'dog':
     shutil.copyfile(files[i],'F:\inner\kaggle\\train\dog\dog.'+str(i)+'.jpg')
 else:
     shutil.copyfile(files[i],'F:\inner\kaggle\\train\cat\cat.'+str(i)+'.jpg')

关于transform1及transform2

 simple_transform = transforms.Compose([transforms.Scale((224,224)),
                                       transforms.ToTensor(),
                                       transforms.Normalize([0.485,0.456,0.406],[0.229,0.224,0.225])])

K-fold

KFold（n_split, shuffle, random_state）
　　 参数：n_split:要划分的折数，n_split的值不能超过样例总数，不然会报错。
　　　　　 shuffle: 每次都进行shuffle，测试集中折数的总和就是训练集的个数
　　random_state:随机状态

  def holdout():
      import numpy as np
      from sklearn.model_selection import KFold
      X = ['a','b','c','d','e','f']
      kf = KFold(n_splits = 4,shuffle = True,random_state = 3)
      for train,test in kf.split(X):    # 这里kf.split(X)返回的是X中进行分裂后train和test的索引值，令X中数据集的索引为0，1，2，3；第一次分裂，先选择test，索引为0和1的数据集为test,剩下索引为2和3的数据集为train；第二次分裂，先选择test，索引为2和3的数据集为test,剩下索引为0和1的数据集为train。
      print('%s %s' % (train,test))
      pass

ImageFolder

ImageFolder假设所有的文件按文件夹保存好，每个文件夹下面存贮同一类别的图片，文件夹的名字为分类的名字。

ImageFolder(root,transform=None,target_transform=None,loader=
default_loader)

参数说明：
root : 在指定的root路径下面寻找图片
transform: 对PIL Image进行转换操作,transform 输入是loader读取图片返回的对象
target_transform :对label进行变换
loader: 指定加载图片的函数，默认操作是读取PIL image对象

猫狗大战训练代码及结果

1、数据预处理（创建并划分valid/（cat ＆ dog）及train/（cat ＆ dog））

# 所需导入的包
# 这部分代码可以另存一个python文件
import os
import torch
import numpy as np
from glob import glob
import matplotlib.pyplot as plt
from torch import nn
from torchvision import transforms, models
from torchvision.datasets import ImageFolder
#  数据预处理（创建并划分valid/（cat ＆ dog）及train/（cat ＆ dog））
#  这里运行的很慢，把数据集手动缩小了，缩小情况如下：    
    #  (base) [@gpu08 cat]$ ls|wc -l
    # 471
    # (base) [@gpu08 cat]$ cd ..
    # (base) [@gpu08 train]$ cd dog
    # (base) [@gpu08 dog]$ ls|wc -l
    # 429
    # (base) [@gpu08 dog]$
    #
    # (base) [@gpu08 valid]$ cd cat
    # (base) [@gpu08 cat]$ ls|wc -l
    # 230
    # (base) [@gpu08 cat]$ cd ..
    # (base) [@gpu08 valid]$ cd dog
    # (base) [@gpu08 dog]$ ls|wc -l
    # 270
def split_validset(path):
    #  Read all the files inside our floder
    files = glob(os.path.join(path, '*/*.jpg'))
    print(f'Total no of images {len(files)}')
    no_of_images = len(files)

    # Create a shuffled index which can be used to create a validation data set
    shuffle = np.random.permutation(no_of_images)
    print('shffule:')
    print(shuffle)
    # print(shuffle.size())   TypeError: 'int' object is not callable

    # 创建valid文件夹
    if not os.path.exists(os.path.join(path, 'valid')):
        os.mkdir(os.path.join(path, 'valid'))

    # 在trian及valid文件夹下在创建dog和cat文件夹
    for t in ['train', 'valid']:
        for folder in ['dog/', 'cat/']:
            if not os.path.exists(os.path.join(path, t, folder)):
                os.mkdir(os.path.join(path, t, folder))

    for i in shuffle[:500]:
        folder = files[i].split('/')[-1].split('.')[0]
        image = files[i].split('/')[-1]
        os.rename(files[i],os.path.join(path,'valid',folder,image))
    for i in shuffle[500:1400]:
        folder = files[i].split('/')[-1].split('.')[0]
        image = files[i].split('/')[-1]
        os.rename(files[i],os.path.join(path,'train',folder,image))
    pass

2、训练

train_model函数接受一个模型，并通过运行多个周期和减少损失来优化算法的权重

# 训练
def train_model(model_ft, criterion, optimizer, scheduler, num_epochs=5):
    model_cp = '/home/ZhangXueLiang/LiMiao/dataset/save_para'       # 保存网络的参数的位置
    since = time.time()
    simple_transform = transforms.Compose([transforms.Scale((224, 224)),
                                           transforms.ToTensor(),
                                           transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])])
    train = ImageFolder('/home/ZhangXueLiang/LiMiao/dataset/dogsandcats/train/', simple_transform)
    valid = ImageFolder('/home/ZhangXueLiang/LiMiao/dataset/dogsandcats/valid/', simple_transform)

    # 按批次加载图像数据
    train_data_gen = torch.utils.data.DataLoader(train, shuffle=True, batch_size=64, num_workers=3)
    valid_data_gen = torch.utils.data.DataLoader(valid, batch_size=64, num_workers=3)
    dataset_sizes = {'train': len(train_data_gen.dataset), 'valid': len(valid_data_gen.dataset)}
    dataloaders = {'train': train_data_gen, 'valid': valid_data_gen}

    best_model_wts = model_ft.state_dict()
    best_acc = 0.0

    for epoch in range(num_epochs):
        print('Epoch {}/{}'.format(epoch, num_epochs - 1))
        print('-' * 10)

        # Each epoch has a training and validation phase
        for phase in ['train', 'valid']:
            if phase == 'train':
                scheduler.step()
                model_ft.train(True)  # Set model to training mode
            else:
                model_ft.train(False)  # Set model to evaluate mode

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0

            # Iterate over data.
            for data in dataloaders[phase]:
                # get the inputs
                inputs, labels = data

                # wrap them in Variable
                if torch.cuda.is_available():
                    inputs = Variable(inputs.cuda())
                    labels = Variable(labels.cuda())
                else:
                    inputs, labels = Variable(inputs), Variable(labels)

                # zero the parameter gradients
                optimizer.zero_grad()
                
                # 通过模型传递图像并计算损失。
                # forward
                outputs = model_ft(inputs)
                _, preds = torch.max(outputs.data, 1)
                loss = criterion(outputs, labels)
                # 在训练阶段反向传播。对于验证/测试阶段，不调整权重。
                # backward + optimize only if in training phase
                if phase == 'train':
                    loss.backward()
                    optimizer.step()

                # statistics
                running_loss += loss.data
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)
                # print('running_corrects:')
                # print(running_corrects)

            epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
            epoch_acc = running_corrects.double() / dataset_sizes[phase]
            # print('running_loss:')        # running_loss:
            # print(running_loss)           # tensor(0.8758)
            # print('running_corrects:')    # running_corrects:
            # print(running_corrects)       # tensor(482) 
            # print('dataset_sizes[phase]:')# dataset_sizes[phase]:
            # print(dataset_sizes[phase])   # 500

            print('{} Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(
                phase, epoch_loss, epoch_acc))
            # 存储最佳模型及验证精度。
            # deep copy the model
            if phase == 'valid' and epoch_acc > best_acc:
                best_acc = epoch_acc
                best_model_wts = model_ft.state_dict()

        print()

    time_elapsed = time.time() - since
    print('Training complete in {:.0f}m {:.0f}s'.format(
        time_elapsed // 60, time_elapsed % 60))
    print('Best val Acc: {:4f}'.format(best_acc))

    # load best model weights
    model_ft.load_state_dict(best_model_wts)
    torch.save(model_ft.state_dict(), '{0}/model.pth'.format(model_cp))            # 训练所有数据后，保存网络的参数

    return model_ft

3、运行结果

在这段代码中，开始运行时，Acc的输出值总是为0，运行时发现，有如下情况：

在注释掉的部分中，显示的是某一次的输出结果，可以看出输出的结果running_corrects为整形，但是dataset_sizes[phase]也是整形，而running_loss为浮点型，故Loss能得到非零值，而Acc结果总是为0（被舍入），故改变running_corrects —>running_corrects.double()，之后能得到结果。

改正后的运行结果：

4、程序入口函数

# 所需的包
import time
from torch import nn, optim
from torch.optim import lr_scheduler
from torchvision import transforms, models
from torchvision.datasets import ImageFolder
import torch
from torch.autograd import Variable
# 程序入口函数
def main():
    # loss and optimizer
    learning_rate = 0.001
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()                                                   # 选择交叉熵损失函数
    model_ft = models.resnet18(pretrained = True)                                       # Resnet18网络模型
    optimizer_ft = optim.SGD(model_ft.parameters(),lr = 0.001,momentum = 0.9)           # 选择SGD优化器
    exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_ft,step_size = 7,gamma = 0.1)      # 动态地改变学习速度
    # train_model(ResNet,criterion,optimizer_ft,exp_lr_scheduler,num_epochs=25)
    train_model(model_ft,criterion,optimizer_ft,exp_lr_scheduler,num_epochs=5)

    pass
if __name__ == '__main__':
    main()