【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

时间：2022-10-26 11:37:39

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

作者简介：在校大学生一枚，华为云享专家，阿里云专家博主，腾云先锋（TDP）成员，云曦智划项目总负责人，全国高等学校计算机教学与产业实践资源建设专家委员会（TIPCC）志愿者，以及编程爱好者，期待和大家一起学习，一起进步~ . 博客主页：ぃ灵彧が的学习日志 . 本文专栏：人工智能 . 专栏寄语：若你决定灿烂，山无遮，海无拦 . 【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

(文章目录)

前言

(一)、任务描述

本次实践是一个多分类任务，需要将照片中的宝石分别进行识别，完成宝石的识别 实践平台：百度AI实训平台-AI Studio、PaddlePaddle2.0.0 动态图

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

(二)、环境配置

本实践代码运行的环境配置如下：Python版本为3.7，PaddlePaddle版本为2.0.0，操作平台为ＡI Studio。大部分深度学习项目都要经过以下几个过程：数据准备、模型配置、模型训练、模型评估。

import paddle
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
print(paddle.__version__)

# cpu/gpu环境选择，在 paddle.set_device() 输入对应运行设备。
# device = paddle.set_device('gpu')

一、方案设计

(一)、深度神经网络(DNN)

深度神经网络（Deep Neural Networks，简称DNN）是深度学习的基础，其结构为input、hidden（可有多层）、output，每层均为全连接。

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

二、数据集介绍

  • 数据集文件名为archive_train.zip,archive_test.zip。 ​
  • 该数据集包含25个类别不同宝石的图像。 ​
  • 这些类别已经分为训练和测试数据。 ​
  • 图像大小不一，格式为.jpeg。 ​ ​【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

请勿将本数据集用于商务用途。

三、数据集预处理

本案例主要分以下几个步骤进行数据预处理：

（1）解压原始数据集

（2）按照比例划分训练集与验证集

（3）乱序，生成数据列表

（4）定义数据读取器，转换图片

(一)、导入相关包

首先我们引入本案例需要的所有模块

#导入需要的包
import os
import zipfile
import random
import json
import cv2
import numpy as np
from PIL import Image
import paddle
import matplotlib.pyplot as plt
from paddle.io import Dataset

(二)、参数配置

'''
参数配置
'''
train_parameters = {
    "input_size": [3, 224, 224],                           #输入图片的shape
    "class_dim": 25,                                     #分类数
    "src_path":"data/data55032/archive_train.zip",       #原始数据集路径
    "target_path":"/home/aistudio/data/dataset",        #要解压的路径 
    "train_list_path": "./train.txt",              #train_data.txt路径
    "eval_list_path": "./eval.txt",                  #eval_data.txt路径
    "label_dict":{},                                    #标签字典
    "readme_path": "/home/aistudio/data/readme.json",   #readme.json路径
    "num_epochs": 40,                                    #训练轮数
    "train_batch_size": 32,                             #批次的大小
    "learning_strategy": {                              #优化函数相关的配置
        "lr": 0.0001                                     #超参数学习率
    } 
}

(三)、解压数据集

def unzip_data(src_path,target_path):

    '''
    解压原始数据集，将src_path路径下的zip包解压至data/dataset目录下
    '''

    if(not os.path.isdir(target_path)):    
        z = zipfile.ZipFile(src_path, 'r')
        z.extractall(path=target_path)
        z.close()
    else:
        print("文件已解压")

(四)、生成数据列表

def get_data_list(target_path,train_list_path,eval_list_path):
    '''
    生成数据列表
    '''
    #存放所有类别的信息
    class_detail = []
    #获取所有类别保存的文件夹名称
    data_list_path=target_path
    class_dirs = os.listdir(data_list_path)
    if '__MACOSX' in class_dirs:
        class_dirs.remove('__MACOSX')
    # #总的图像数量
    all_class_images = 0
    # #存放类别标签
    class_label=0
    # #存放类别数目
    class_dim = 0
    # #存储要写进eval.txt和train.txt中的内容
    trainer_list=[]
    eval_list=[]
    #读取每个类别
    for class_dir in class_dirs:
        if class_dir != ".DS_Store":
            class_dim += 1
            #每个类别的信息
            class_detail_list = {}
            eval_sum = 0
            trainer_sum = 0
            #统计每个类别有多少张图片
            class_sum = 0
            #获取类别路径 
            path = os.path.join(data_list_path,class_dir)
            # 获取所有图片
            img_paths = os.listdir(path)
            for img_path in img_paths:                                  # 遍历文件夹下的每个图片
                if img_path =='.DS_Store':
                    continue
                name_path = os.path.join(path,img_path)                       # 每张图片的路径
                if class_sum % 15 == 0:                                 # 每10张图片取一个做验证数据
                    eval_sum += 1                                       # eval_sum为测试数据的数目
                    eval_list.append(name_path + "\t%d" % class_label + "\n")
                else:
                    trainer_sum += 1 
                    trainer_list.append(name_path + "\t%d" % class_label + "\n")#trainer_sum测试数据的数目
                class_sum += 1                                          #每类图片的数目
                all_class_images += 1                                   #所有类图片的数目
            
            # 说明的json文件的class_detail数据
            class_detail_list['class_name'] = class_dir             #类别名称
            class_detail_list['class_label'] = class_label          #类别标签
            class_detail_list['class_eval_images'] = eval_sum       #该类数据的测试集数目
            class_detail_list['class_trainer_images'] = trainer_sum #该类数据的训练集数目
            class_detail.append(class_detail_list)  
            #初始化标签列表
            train_parameters['label_dict'][str(class_label)] = class_dir
            class_label += 1
            
    #初始化分类数
    train_parameters['class_dim'] = class_dim
    print(train_parameters)
    #乱序  
    random.shuffle(eval_list)
    with open(eval_list_path, 'a') as f:
        for eval_image in eval_list:
            f.write(eval_image) 
    #乱序        
    random.shuffle(trainer_list) 
    with open(train_list_path, 'a') as f2:
        for train_image in trainer_list:
            f2.write(train_image) 

    # 说明的json文件信息
    readjson = {}
    readjson['all_class_name'] = data_list_path                  #文件父目录
    readjson['all_class_images'] = all_class_images
    readjson['class_detail'] = class_detail
    jsons = json.dumps(readjson, sort_keys=True, indent=4, separators=(',', ': '))
    with open(train_parameters['readme_path'],'w') as f:
        f.write(jsons)
    print ('生成数据列表完成！')

(五)、参数初始化

'''
参数初始化
'''
src_path=train_parameters['src_path']
target_path=train_parameters['target_path']
train_list_path=train_parameters['train_list_path']
eval_list_path=train_parameters['eval_list_path']
batch_size=train_parameters['train_batch_size']
'''
解压原始数据到指定路径
'''
unzip_data(src_path,target_path)

'''
划分训练集与验证集，乱序，生成数据列表
'''
#每次生成数据列表前，首先清空train.txt和eval.txt
with open(train_list_path, 'w') as f: 
    f.seek(0)
    f.truncate() 
with open(eval_list_path, 'w') as f: 
    f.seek(0)
    f.truncate() 
    
#生成数据列表   
get_data_list(target_path,train_list_path,eval_list_path)

输出结果如下图1所示：

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

(六)、定义数据读取器

class Reader(Dataset):
    def __init__(self, data_path, mode='train'):
        """
        数据读取器
        :param data_path: 数据集所在路径
        :param mode: train or eval
        """
        super().__init__()
        self.data_path = data_path
        self.img_paths = []
        self.labels = []

        if mode == 'train':
            with open(os.path.join(self.data_path, "train.txt"), "r", encoding="utf-8") as f:
                self.info = f.readlines()
            for img_info in self.info:
                img_path, label = img_info.strip().split('\t')
                self.img_paths.append(img_path)
                self.labels.append(int(label))

        else:
            with open(os.path.join(self.data_path, "eval.txt"), "r", encoding="utf-8") as f:
                self.info = f.readlines()
            for img_info in self.info:
                img_path, label = img_info.strip().split('\t')
                self.img_paths.append(img_path)
                self.labels.append(int(label))


    def __getitem__(self, index):
        """
        获取一组数据
        :param index: 文件索引号
        :return:
        """
        # 第一步打开图像文件并获取label值
        img_path = self.img_paths[index]
        img = Image.open(img_path)
        if img.mode != 'RGB':
            img = img.convert('RGB') 
        img = img.resize((224, 224), Image.BILINEAR)
        img = np.array(img).astype('float32')
        img = img.transpose((2, 0, 1)) / 255
        label = self.labels[index]
        label = np.array([label], dtype="int64")
        return img, label

    def print_sample(self, index: int = 0):
        print("文件名", self.img_paths[index], "\t标签值", self.labels[index])

    def __len__(self):
        return len(self.img_paths)

三、定义模型

#定义DNN网络
class MyDNN(paddle.nn.Layer):
    def __init__(self):
        super(MyDNN,self).__init__()
        self.linear1 = paddle.nn.Linear(in_features=3*224*224, out_features=1024)
        self.relu1 = paddle.nn.ReLU()

        self.linear2 = paddle.nn.Linear(in_features=1024, out_features=512)
        self.relu2 = paddle.nn.ReLU()

        self.linear3 = paddle.nn.Linear(in_features=512, out_features=128)
        self.relu3 = paddle.nn.ReLU()

        self.linear4 = paddle.nn.Linear(in_features=128, out_features=25)

    def forward(self,input):        # forward 定义执行实际运行时网络的执行逻辑
        # input.shape (16, 3, 224, 224)
        x = paddle.reshape(input, shape=[-1,3*224*224]) #-1 表示这个维度的值是从x的元素总数和剩余维度推断出来的，有且只能有一个维度设置为-1
        # print(x.shape)
        x = self.linear1(x)
        x = self.relu1(x)
        # print('1', x.shape)
        x = self.linear2(x)
        x = self.relu2(x)
        # print('2',x.shape)
        x = self.linear3(x)
        x = self.relu3(x)
        # print('3',x.shape)
        y = self.linear4(x)
        # print('4',y.shape)
        return y

Batch=0
Batchs=[]
all_train_accs=[]
def draw_train_acc(Batchs, train_accs):
    title="training accs"
    plt.title(title, fontsize=24)
    plt.xlabel("batch", fontsize=14)
    plt.ylabel("acc", fontsize=14)
    plt.plot(Batchs, train_accs, color='green', label='training accs')
    plt.legend()
    plt.grid()
    plt.show()

all_train_loss=[]
def draw_train_loss(Batchs, train_loss):
    title="training loss"
    plt.title(title, fontsize=24)
    plt.xlabel("batch", fontsize=14)
    plt.ylabel("loss", fontsize=14)
    plt.plot(Batchs, train_loss, color='red', label='training loss')
    plt.legend()
    plt.grid()
    plt.show()

四、模型训练

model=MyDNN() #模型实例化
model.train() #训练模式
cross_entropy = paddle.nn.CrossEntropyLoss()
opt=paddle.optimizer.SGD(learning_rate=0.001, parameters=model.parameters())

epochs_num=train_parameters['num_epochs'] #迭代次数
for pass_num in range(train_parameters['num_epochs']):
    for batch_id,data in enumerate(train_loader()):
        image = data[0]
        label = data[1]

        predict=model(image) #数据传入model

        loss=cross_entropy(predict,label)
        acc=paddle.metric.accuracy(predict,label)#计算精度
        
        if batch_id!=0 and batch_id%5==0:
            Batch = Batch+5 
            Batchs.append(Batch)
            all_train_loss.append(loss.numpy()[0])
            all_train_accs.append(acc.numpy()[0])        
            print("train_pass:{},batch_id:{},train_loss:{},train_acc:{}".format(pass_num,batch_id,loss.numpy(),acc.numpy()))
        
        loss.backward()       
        opt.step()
        opt.clear_grad()   #opt.clear_grad()来重置梯度

paddle.save(model.state_dict(),'MyDNN')#保存模型

draw_train_acc(Batchs,all_train_accs)
draw_train_loss(Batchs,all_train_loss)

输出结果如下图2、3、4所示：

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

五、模型评估

#模型评估
para_state_dict = paddle.load("MyDNN")
model = MyDNN()
model.set_state_dict(para_state_dict) #加载模型参数
model.eval（) #验证模式

accs = []

for batch_id,data in enumerate(eval_loader()):#测试集
    image=data[0]
    label=data[1]     
    predict=model(image)       
    acc=paddle.metric.accuracy(predict,label)
    accs.append(acc.numpy()[0])
    avg_acc = np.mean(accs)
    
print("当前模型在验证集上的准确率为:",avg_acc)

输出结果如下图5所示：

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

六、模型预测

总结

本系列文章内容为根据清华社出版的《自然语言处理实践》所作的相关笔记和感悟，其中代码均为基于百度飞桨开发，若有任何侵权和不妥之处，请私信于我，定积极配合处理，看到必回！！！

最后，引用本次活动的一句话，来作为文章的结语～(￣▽￣～)~：

【**学习的最大理由是想摆脱平庸，早一天就多一份人生的精彩；迟一天就多一天平庸的困扰。**】

【计算机视觉（CV）】基于全连接网络实现宝石分类

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