动手学PaddlePaddle（3）：猫脸识别

你将学会：

预处理图片数据

利用PaddlePaddle框架实现Logistic回归模型：

在开始练习之前，简单介绍一下图片处理的相关知识：

图片处理

由于识别猫问题涉及到图片处理知识，这里对计算机如何保存图片做一个简单的介绍。在计算机中，图片被存储为三个独立的矩阵，分别对应图中的红、绿、蓝三个颜色通道，如果图片是64*64像素的，就会有三个64*64大小的矩阵，要把这些像素值放进一个特征向量中，需要定义一个特征向量X，将三个颜色通道中的所有像素值都列出来。如果图片是64*64大小的，那么特征向量X的长度就是64*64*3，也就是12288。这样一个长度为12288的向量就是Logistic回归模型的一个训练数据。

1 - 引用库

2 - 数据预处理

3 - 构造reader

4 - 训练过程

4.1 获取训练数据

4.2配置网络结构和损失函数

4.3 设置优化方法

4.4 定义训练场所

4.5设置训练主循环

5 - 预测阶段

6 - 总结

1 - 引用库

import sys
import numpy as npimport lr_utils
import matplotlib.pyplot as pltimport paddle
import paddle.fluid as fluidfrom paddle.utils.plot import Ploter
%matplotlib inline

2 - 数据预处理

这里简单介绍数据集及其结构。数据集以hdf5文件的形式存储，包含了如下内容：

训练数据集：包含了m_train个图片的数据集，数据的标签（Label）分为cat（y=1）和non-cat（y=0）两类。
测试数据集：包含了m_test个图片的数据集，数据的标签（Label）同上。

单个图片数据的存储形式为（num_x, num_x, 3），其中num_x表示图片的长或宽（数据集图片的长和宽相同），数字3表示图片为三通道（RGB）。

需要注意的是，为了方便，添加“_orig”后缀表示该数据为原始数据，之后需要对数据做进一步处理。未添加“_orig”的数据则表示之后不需要再对该数据作进一步处理。

# 调用load_dataset()函数，读取数据集
train_set_x_orig, train_set_y, test_set_x_orig, test_set_y, classes = lr_utils.load_dataset()# 图片示例
# 可观察到索引为“23”的图片应为“non-cat”
index = 19
plt.imshow(train_set_x_orig[index])
print ("y = " + str(train_set_y[:, index]) + ", it's a '" + classes[np.squeeze(train_set_y[:, index])].decode("utf-8") +  "' picture.")

获取数据后的下一步工作是获得数据的相关信息，如训练样本个数 m_train、测试样本个数 m_test 和图片的长度或宽度 num_x，使用 numpy.array.shape 来获取数据的相关信息

m_train = train_set_x_orig.shape[0]
m_test = test_set_x_orig.shape[0]
num_px = train_set_x_orig.shape[1]print ("训练样本数: m_train = " + str(m_train))
print ("测试样本数: m_test = " + str(m_test))
print ("图片高度/宽度: num_px = " + str(num_px))
print ("图片大小: (" + str(num_px) + ", " + str(num_px) + ", 3)")
print ("train_set_x shape: " + str(train_set_x_orig.shape))
print ("train_set_y shape: " + str(train_set_y.shape))
print ("test_set_x shape: " + str(test_set_x_orig.shape))
print ("test_set_y shape: " + str(test_set_y.shape))

训练样本数: m_train = 209
测试样本数: m_test = 50
图片高度/宽度: num_px = 64
图片大小: (64, 64, 3)
train_set_x shape: (209, 64, 64, 3)
train_set_y shape: (1, 209)
test_set_x shape: (50, 64, 64, 3)
test_set_y shape: (1, 50)

接下来需要对数据作进一步处理，为了便于训练，可以先忽略图片的结构信息，将包含图像长、宽和通道数信息的三维数组压缩成一维数组，图片数据的形状将由(64, 64, 3)转化为(64 * 64 * 3, 1)。

# 定义维度
DATA_DIM = num_px * num_px * 3# 转换数据形状train_set_x_flatten = train_set_x_orig.reshape(train_set_x_orig.shape[0], -1)
test_set_x_flatten = test_set_x_orig.reshape(test_set_x_orig.shape[0], -1)print ("train_set_x_flatten shape: " + str(train_set_x_flatten.shape))
print ("train_set_y shape: " + str(train_set_y.shape))
print ("test_set_x_flatten shape: " + str(test_set_x_flatten.shape))
print ("test_set_y shape: " + str(test_set_y.shape))

在开始训练之前，还需要对数据进行归一化处理。图片采用红、绿、蓝三通道的方式来表示颜色，每个通道的单个像素点都存储着一个 0-255 的像素值，所以图片的归一化处理十分简单，只需要将数据集中的每个像素值除以 255 即可，但需要注意的是计算结果应为 float 类型。

train_set_x = train_set_x_flatten.astype('float32') / 255
test_set_x = test_set_x_flatten.astype('float32') / 255

为了方便后续的测试工作，添加了合并数据集和标签集的操作，使用 numpy.hstack 实现 numpy 数组的横向合并。

train_set = np.hstack((train_set_x, train_set_y.T))
test_set = np.hstack((test_set_x, test_set_y.T))

经过上面的实验，需要记住:

对数据进行预处理的一般步骤是:

了解数据的维度和形状等信息，例如(m_train, m_test, num_px, ...)

降低数据纬度，例如将数据维度(num_px, num_px, 3)转化为(num_px * num_px * 3, 1)

数据归一化

3 - 构造reader

构造read_data()函数，来读取训练数据集train_set或者测试数据集test_set。它的具体实现是在read_data()函数内部构造一个reader()，使用yield关键字来让reader()成为一个Generator（生成器），注意，yield关键字的作用和使用方法类似return关键字，不同之处在于yield关键字可以构造生成器（Generator）。虽然我们可以直接创建一个包含所有数据的列表，但是由于内存限制，我们不可能创建一个无限大的或者巨大的列表，并且很多时候在创建了一个百万数量级别的列表之后，我们却只需要用到开头的几个或几十个数据，这样造成了极大的浪费，而生成器的工作方式是在每次循环时计算下一个值，不断推算出后续的元素，不会创建完整的数据集列表，从而节约了内存使用。

# 读取训练数据或测试数据
def read_data(data_set):"""一个readerArgs:data_set -- 要获取的数据集Return:reader -- 用于获取训练数据集及其标签的生成器generator"""def reader():"""一个readerArgs:Return:data[:-1], data[-1:] -- 使用yield返回生成器(generator)，data[:-1]表示前n-1个元素组成的list，也就是训练数据，data[-1]表示最后一个元素，也就是对应的标签"""for data in data_set:### START CODE HERE ### (≈ 1 lines of code)yield data[:-1], data[-1]### END CODE HERE ###return reader

test_array = [[1,1,1,1,0],[2,2,2,2,1],[3,3,3,3,0]]print("test_array for read_data:")
for value in read_data(test_array)():print(value)test_array for read_data:
([1, 1, 1, 1], 0)
([2, 2, 2, 2], 1)
([3, 3, 3, 3], 0)

4 - 训练过程

4.1 获取训练数据

关于参数的解释如下：

paddle.reader.shuffle(read_data(data_set), buf_size=BUF_SIZE) 表示从read_data(data_set)这个reader中读取了BUF_SIZE大小的数据并打乱顺序paddle.batch(reader(), batch_size=BATCH_SIZE) 表示从reader()中取出BATCH_SIZE大小的数据进行一次迭代训练BATCH_SIZE= 32# 设置训练reader
train_reader = paddle.batch(paddle.reader.shuffle(read_data(train_set), buf_size=500),batch_size=BATCH_SIZE)#设置测试 reader
test_reader = paddle.batch(paddle.reader.shuffle(read_data(test_set), buf_size=500),batch_size=BATCH_SIZE)

4.2配置网络结构和损失函数

Logistic 回归模型结构相当于一个只含一个神经元的神经网络，如下图所示，只包含输入数据以及输出层，不存在隐藏层，所以只需配置输入层(input)、输出层(predict)和标签层(label)即可。

#配置输入层、输出层、标签层
x = fluid.layers.data(name='x', shape=[DATA_DIM], dtype='float32')
y_predict = fluid.layers.fc(input=x, size=2, act='softmax')
y = fluid.layers.data(name='y', shape=[1], dtype='int64') #定义损失函数
cost = fluid.layers.cross_entropy(input=y_predict, label=y)
avg_loss = fluid.layers.mean(cost)
acc = fluid.layers.accuracy(input=y_predict, label=y)

接下来，我们写三个语句分别来获取：

①全局主程序main program。该主程序用于训练模型。

②全局启动程序startup_program。该程序用于初始化。

③测试程序test_program。用于模型测试。

startup_program = fluid.default_startup_program()
main_program = fluid.default_main_program()#克隆main_program得到test_program
#有些operator在训练和测试之间的操作是不同的，例如batch_norm，使用参数for_test来区分该程序是用来训练还是用来测试
#该api不会删除任何操作符,请在backward和optimization之前使用
test_program = fluid.default_main_program().clone(for_test=True)

4.3 设置优化方法

这里选择Adam优化算法：

optimizer = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.001)
optimizer.minimize(avg_loss)
print("optimizer is ready")

4.4 定义训练场所

# 使用CPU训练
use_cuda = False
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace()#创建执行器和保存路径
exe = fluid.Executor(place)
save_dirname="recognize_cat_inference.model"train_prompt = "Train cost"
cost_ploter = Ploter(train_prompt)# 将训练过程绘图表示
def event_handler_plot(ploter_title, step, cost):cost_ploter.append(ploter_title, step, cost)cost_ploter.plot()

还可以定义一个train_test()函数，作用是：使用测试集数据，来测试训练效果。

def train_test(train_test_program, train_test_feed, train_test_reader):# 将分类准确率存储在acc_set中acc_set = []# 将平均损失存储在avg_loss_set中avg_loss_set = []# 将测试 reader yield 出的每一个数据传入网络中进行训练for test_data in train_test_reader():acc_np, avg_loss_np = exe.run(program=train_test_program,feed=train_test_feed.feed(test_data),fetch_list=[acc, avg_loss])acc_set.append(float(acc_np))avg_loss_set.append(float(avg_loss_np))# get test acc and loss# 获得测试数据上的准确率和损失值acc_val_mean = np.array(acc_set).mean()avg_loss_val_mean = np.array(avg_loss_set).mean()# 返回平均损失值，平均准确率return avg_loss_val_mean, acc_val_meanfeeder = fluid.DataFeeder(place=place, feed_list=[x, y])
exe.run(startup_program)

4.5设置训练主循环

构建一个循环来进行训练，直至训练完成，把模型保存到 params_dirname 。

exe.run(fluid.default_startup_program())PASS_NUM = 150
epochs = [epoch_id for epoch_id in range(PASS_NUM)]lists = []step = 0
for epoch_id in epochs:for step_id, data in enumerate(train_reader()):metrics = exe.run(main_program,feed=feeder.feed(data),fetch_list=[avg_loss,acc])#我们可以把训练结果打印输出，也可以用画图展示出来if step % 10 == 0: #每训练10次，绘制一次曲线event_handler_plot(train_prompt, step, metrics[0])step += 1# 测试每个epoch的分类效果avg_loss_val, acc_val = train_test(train_test_program=test_program,train_test_reader=test_reader,train_test_feed=feeder)print("Test with Epoch %d, avg_cost: %s, acc: %s" %(epoch_id, avg_loss_val, acc_val))lists.append((epoch_id, avg_loss_val, acc_val))# 保存训练好的模型参数用于预测
if save_dirname is not None:fluid.io.save_inference_model(save_dirname, ["x"], [y_predict], exe)# 选择效果最好的pass
best = sorted(lists, key=lambda list: float(list[1]))[0]
print('Best pass is %s, testing Avgcost is %s' % (best[0], best[1]))
print('The classification accuracy is %.2f%%' % (float(best[2]) * 100))

5 - 预测阶段

#指定预测的作用域
inference_scope = fluid.core.Scope()
with fluid.scope_guard(inference_scope):# 使用 fluid.io.load_inference_model 获取 inference program,# feed_target_names 用于指定需要传入网络的变量名# fetch_targets 指定希望从网络中fetch出的变量名[inference_program, feed_target_names,fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model(save_dirname, exe)# 将feed构建成字典 {feed_target_name: feed_target_data}# 结果将包含一个与fetch_targets对应的数据列表# 我们可以实现批量预测，通过一个循环，每次预测一个mini_batchfor mini_batch in test_reader():test_x = np.array([data[0] for data in mini_batch]).astype("float32")test_y = np.array([data[1] for data in mini_batch]).astype("int64")# 真实进行预测mini_batch_result = exe.run(inference_program,feed={feed_target_names[0]: test_x},fetch_list=fetch_targets)# 打印预测结果mini_batch_result = np.argsort(mini_batch_result) #找出可能性最大的列标，升序排列mini_batch_result = mini_batch_result[0][:, -1]  #把这些列标拿出来print('预测结果：%s'%mini_batch_result)# 打印真实结果  label = test_y # 转化为 labelprint('真实结果：%s'%label)#计数label_len = len(label)right_counter = 0for i in range(label_len):if mini_batch_result[i] == label[i]:right_counter += 1ratio = (right_counter/label_len)print("准确率为：%.2f%%"%(ratio*100))

预测结果：[1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0]
真实结果：[0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0]
预测结果：[0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1]
真实结果：[1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1]
准确率为：83.33%

6 - 总结

通过这个练习应该记住：

至此Logistic回归模型的训练工作完成，在使用PaddlePaddle进行模型配置和训练的过程中不用考虑参数的初始化、成本函数、激活函数、梯度下降、参数更新和预测等具体细节；只需要简单地配置网络结构和trainer即可，并且PaddlePaddle提供了许多接口来改变学习率、成本函数、批次大小等许多参数来改变模型的学习效果，使用起来更加灵活，方便测试，在之后的练习中，会对PaddlePaddle更加熟悉。