在PyTorch中使用卷积神经网络建立图像分类模型

概述

在PyTorch中构建自己的卷积神经网络（CNN）的实践教程

我们将研究一个图像分类问题——CNN的一个经典和广泛使用的应用

我们将以实用的格式介绍深度学习概念

介绍

我被神经网络的力量和能力所吸引。在机器学习和深度学习领域，几乎每一次突破都以神经网络模型为核心。

这在计算机视觉领域尤为普遍。无论是简单的图像分类还是更高级的东西（如对象检测），神经网络开辟了处理图像数据的可能性。简而言之，对于像我这样的数据科学家来说，这是一座金矿！

当我们使用深度学习来解决一个图像分类问题时，简单的神经网络总是一个好的起点。但是，它们确实有局限性，而且模型的性能在达到一定程度后无法得到改善。

这就是卷积神经网络（CNNs）改变了竞争环境的地方。它们在计算机视觉应用中无处不在。老实说，我觉得每一个计算机视觉爱好者都应该可以很快学会这个概念。

我将向你介绍使用流行的PyTorch框架进行深度学习的新概念。在本文中，我们将了解卷积神经网络是如何工作的，以及它如何帮助我们改进模型的性能。我们还将研究在PyTorch中CNNs的实现。

目录

1．简要介绍PyTorch、张量和NumPy

2．为什么选择卷积神经网络（CNNs）？

3．识别服装问题

4．使用PyTorch实现CNNs

一、简要介绍PyTorch、张量和NumPy

让我们快速回顾一下第一篇文章中涉及的内容。我们讨论了PyTorch和张量的基础知识，还讨论了PyTorch与NumPy的相似之处。

PyTorch是一个基于python的库，提供了以下功能：

用于创建可序列化和可优化模型的Torchscript

以分布式训练进行并行化计算

动态计算图，等等

PyTorch中的张量类似于NumPy的n维数组，也可以与gpu一起使用。在这些张量上执行操作几乎与在NumPy数组上执行操作类似。这使得PyTorch非常易于使用和学习。

在本系列的第1部分中，我们构建了一个简单的神经网络来解决一个案例研究。使用我们的简单模型，我们在测试集中获得了大约65％的基准准确度。现在，我们将尝试使用卷积神经网络来提高这个准确度。

二、为什么选择卷积神经网络（CNNs）？

在我们进入实现部分之前，让我们快速地看看为什么我们首先需要CNNs，以及它们是如何工作的。

我们可以将卷积神经网络（CNNs）看作是帮助从图像中提取特征的特征提取器。

在一个简单的神经网络中，我们把一个三维图像转换成一维图像，对吧？让我们看一个例子来理解这一点：

你能认出上面的图像吗？这似乎说不通。现在，让我们看看下面的图片：

我们现在可以很容易地说，这是一只狗。如果我告诉你这两个图像是一样的呢？相信我，他们是一样的！唯一的区别是第一个图像是一维的，而第二个图像是相同图像的二维表示。

空间定位

人工神经网络也会丢失图像的空间方向。让我们再举个例子来理解一下：

你能分辨出这两幅图像的区别吗？至少我不能。由于这是一个一维的表示，因此很难确定它们之间的区别。现在，让我们看看这些图像的二维表示：

在这里，图像某些定位已经改变，但我们无法通过查看一维表示来识别它。

这就是人工神经网络的问题——它们失去了空间定位。

大量参数

神经网络的另一个问题是参数太多。假设我们的图像大小是28＊28＊3 －所以这里的参数是2352。如果我们有一个大小为224＊224＊3的图像呢？这里的参数数量为150，528。

这些参数只会随着隐藏层的增加而增加。因此，使用人工神经网络的两个主要缺点是：

1．丢失图像的空间方向

2．参数的数量急剧增加

那么我们如何处理这个问题呢？如何在保持空间方向的同时减少可学习参数？

这就是卷积神经网络真正有用的地方。CNNs有助于从图像中提取特征，这可能有助于对图像中的目标进行分类。它首先从图像中提取低维特征（如边缘），然后提取一些高维特征（如形状）。

我们使用滤波器从图像中提取特征，并使用池技术来减少可学习参数的数量。

在本文中，我们不会深入讨论这些主题的细节。如果你希望了解滤波器如何帮助提取特征和池的工作方式，我强烈建议你从头开始学习卷积神经网络的全面教程。

三、理解问题陈述：识别服装

理论部分已经铺垫完了，开始写代码吧。我们将讨论与第一篇文章相同的问题陈述。这是因为我们可以直接将我们的CNN模型的性能与我们在那里建立的简单神经网络进行比较。

你可以从这里下载“识别”Apparels问题的数据集。

https：／／datahack．analyticsvidhya．com／contest／practice－problem－identify－the－apparels／？utm＿source＝blog＆utm＿medium＝building－image－classification－models－cnn－pytorch

让我快速总结一下问题陈述。我们的任务是通过观察各种服装形象来识别服装的类型。我们总共有10个类可以对服装的图像进行分类：

Label

Description

0

T－shirt／top

1

Trouser

2

Pullover

3

Dress

4

Coat

5

Sandal

6

Shirt

7

Sneaker

8

Bag

9

Ankle boot

数据集共包含70，000张图像。其中60000张属于训练集，其余10000张属于测试集。所有的图像都是大小（28＊28）的灰度图像。数据集包含两个文件夹，—一个用于训练集，另一个用于测试集。每个文件夹中都有一个．csv文件，该文件具有图像的id和相应的标签；

准备好开始了吗？我们将首先导入所需的库：

＃ 导入库
import pandas as pd
import numpy as np
＃ 读取与展示图片
from skimage．io import imread
import matplotlib．pyplot as plt
％matplotlib inline
＃ 创建验证集
from sklearn．model＿selection import train＿test＿split
＃ 评估模型
from sklearn．metrics import accuracy＿score
from tqdm import tqdm
＃ Pytorch的相关库
import torch
from torch．autograd import Variable
from torch．nn import Linear， ReLU， CrossEntropyLoss， Sequential， Conv2d， MaxPool2d， Module， Softmax， BatchNorm2d， Dropout
from torch．optim import Adam， SGD

加载数据集

现在，让我们加载数据集，包括训练，测试样本：

＃ 加载数据集
train ＝ pd．read＿csv（＇train＿LbELtWX／train．csv＇）
test ＝ pd．read＿csv（＇test＿ScVgIM0／test．csv＇）
sample＿submission ＝ pd．read＿csv（＇sample＿submission＿I5njJSF．csv＇）
train．head（）

该训练文件包含每个图像的id及其对应的标签

另一方面，测试文件只有id，我们必须预测它们对应的标签

样例提交文件将告诉我们预测的格式

我们将一个接一个地读取所有图像，并将它们堆叠成一个数组。我们还将图像的像素值除以255，使图像的像素值在［0，1］范围内。这一步有助于优化模型的性能。

让我们来加载图像：

＃ 加载训练图像
train＿img ＝ ［］
for img＿name in tqdm（train［＇id＇］）：
   ＃ 定义图像路径
   image＿path ＝ ＇train＿LbELtWX／train／＇ ＋ str（img＿name） ＋ ＇．png＇
   ＃ 读取图片
   img ＝ imread（image＿path， as＿gray＝True）
   ＃ 归一化像素值
   img ／＝ 255．0
   ＃ 转换为浮点数
   img ＝ img．astype（＇float32＇）
   ＃ 添加到列表
   train＿img．append（img）
＃ 转换为numpy数组
train＿x ＝ np．array（train＿img）
＃ 定义目标
train＿y ＝ train［＇label＇］．values
train＿x．shape

如你所见，我们在训练集中有60，000张大小（28，28）的图像。由于图像是灰度格式的，我们只有一个单一通道，因此形状为（28，28）。

现在让我们研究数据和可视化一些图像：

＃ 可视化图片
i ＝ 0
plt．figure（figsize＝（10，10））
plt．subplot（221）， plt．imshow（train＿x［i］， cmap＝＇gray＇）
plt．subplot（222）， plt．imshow（train＿x［i＋25］， cmap＝＇gray＇）
plt．subplot（223）， plt．imshow（train＿x［i＋50］， cmap＝＇gray＇）
plt．subplot（224）， plt．imshow（train＿x［i＋75］， cmap＝＇gray＇）

以下是来自数据集的一些示例。我鼓励你去探索更多，想象其他的图像。接下来，我们将把图像分成训练集和验证集。

创建验证集并对图像进行预处理

＃ 创建验证集
train＿x， val＿x， train＿y， val＿y ＝ train＿test＿split（train＿x， train＿y， test＿size ＝ 0．1）
（train＿x．shape， train＿y．shape）， （val＿x．shape， val＿y．shape）

我们在验证集中保留了10％的数据，在训练集中保留了10％的数据。接下来将图片和目标转换成torch格式：

＃ 转换为torch张量
train＿x ＝ train＿x．reshape（54000， 1， 28， 28）
train＿x  ＝ torch．from＿numpy（train＿x）
＃ 转换为torch张量
train＿y ＝ train＿y．astype（int）；
train＿y ＝ torch．from＿numpy（train＿y）
＃ 训练集形状
train＿x．shape， train＿y．shape

同样，我们将转换验证图像：

＃ 转换为torch张量
val＿x ＝ val＿x．reshape（6000， 1， 28， 28）
val＿x  ＝ torch．from＿numpy（val＿x）
＃ 转换为torch张量
val＿y ＝ val＿y．astype（int）；
val＿y ＝ torch．from＿numpy（val＿y）
＃ 验证集形状
val＿x．shape， val＿y．shape

我们的数据现在已经准备好了。最后，是时候创建我们的CNN模型了！

四、使用PyTorch实现CNNs

我们将使用一个非常简单的CNN架构，只有两个卷积层来提取图像的特征。然后，我们将使用一个完全连接的Dense层将这些特征分类到各自的类别中。

让我们定义一下架构：

class Net（Module）：  
   def ＿＿init＿＿（self）：
       super（Net， self）．＿＿init＿＿（）
       self．cnn＿layers ＝ Sequential（
           ＃ 定义2D卷积层
           Conv2d（1， 4， kernel＿size＝3， stride＝1， padding＝1），
           BatchNorm2d（4），
           ReLU（inplace＝True），
           MaxPool2d（kernel＿size＝2， stride＝2），
           ＃ 定义另一个2D卷积层
           Conv2d（4， 4， kernel＿size＝3， stride＝1， padding＝1），
           BatchNorm2d（4），
           ReLU（inplace＝True），
           MaxPool2d（kernel＿size＝2， stride＝2），
       ）
       self．linear＿layers ＝ Sequential（
           Linear（4 ＊ 7 ＊ 7， 10）
       ）
   ＃ 前项传播
   def forward（self， x）：
       x ＝ self．cnn＿layers（x）
       x ＝ x．view（x．size（0）， －1）
       x ＝ self．linear＿layers（x）
       return x

现在我们调用这个模型，定义优化器和模型的损失函数：

＃ 定义模型
model ＝ Net（）
＃ 定义优化器
optimizer ＝ Adam（model．parameters（）， lr＝0．07）
＃ 定义loss函数
criterion ＝ CrossEntropyLoss（）
＃ 检查GPU是否可用
if torch．cuda．is＿available（）：
   model ＝ model．cuda（）
   criterion ＝ criterion．cuda（）
print（model）

这是模型的架构。我们有两个卷积层和一个线性层。接下来，我们将定义一个函数来训练模型：

def train（epoch）：
   model．train（）
   tr＿loss ＝ 0
   ＃ 获取训练集
   x＿train， y＿train ＝ Variable（train＿x）， Variable（train＿y）
   ＃ 获取验证集
   x＿val， y＿val ＝ Variable（val＿x）， Variable（val＿y）
   ＃ 转换为GPU格式
   if torch．cuda．is＿available（）：
       x＿train ＝ x＿train．cuda（）
       y＿train ＝ y＿train．cuda（）
       x＿val ＝ x＿val．cuda（）
       y＿val ＝ y＿val．cuda（）
   ＃ 清除梯度
   optimizer．zero＿grad（）
   ＃ 预测训练与验证集
   output＿train ＝ model（x＿train）
   output＿val ＝ model（x＿val）
   ＃ 计算训练集与验证集损失
   loss＿train ＝ criterion（output＿train， y＿train）
   loss＿val ＝ criterion（output＿val， y＿val）
   train＿losses．append（loss＿train）
   val＿losses．append（loss＿val）
   ＃ 更新权重
   loss＿train．backward（）
   optimizer．step（）
   tr＿loss ＝ loss＿train．item（）
   if epoch％2 ＝＝ 0：
       ＃ 输出验证集loss
       print（＇Epoch ： ＇，epoch＋1， ＇＇， ＇loss ：＇， loss＿val）

最后，我们将对模型进行25个epoch的训练，并存储训练和验证损失：

＃ 定义轮数
n＿epochs ＝ 25
＃ 空列表存储训练集损失
train＿losses ＝ ［］
＃ 空列表存储验证集损失
val＿losses ＝ ［］
＃ 训练模型
for epoch in range（n＿epochs）：
   train（epoch）

可以看出，随着epoch的增加，验证损失逐渐减小。让我们通过绘图来可视化训练和验证的损失：

＃ 画出loss曲线
plt．plot（train＿losses， label＝＇Training loss＇）
plt．plot（val＿losses， label＝＇Validation loss＇）
plt．legend（）
plt．show（）

啊，我喜欢想象的力量。我们可以清楚地看到，训练和验证损失是同步的。这是一个好迹象，因为模型在验证集上进行了很好的泛化。

让我们在训练和验证集上检查模型的准确性：

＃ 训练集预测
with torch．no＿grad（）：
   output ＝ model（train＿x．cuda（））
softmax ＝ torch．exp（output）．cpu（）
prob ＝ list（softmax．numpy（））
predictions ＝ np．argmax（prob， axis＝1）
＃ 训练集精度
accuracy＿score（train＿y， predictions）

训练集的准确率约为72％，相当不错。让我们检查验证集的准确性：

＃ 验证集预测
with torch．no＿grad（）：
   output ＝ model（val＿x．cuda（））
softmax ＝ torch．exp（output）．cpu（）
prob ＝ list（softmax．numpy（））
predictions ＝ np．argmax（prob， axis＝1）
＃ 验证集精度
accuracy＿score（val＿y， predictions）

正如我们看到的损失，准确度也是同步的－我们在验证集得到了72％的准确度。

为测试集生成预测

最后是时候为测试集生成预测了。我们将加载测试集中的所有图像，执行与训练集相同的预处理步骤，最后生成预测。

所以，让我们开始加载测试图像：

＃ 载入测试图
test＿img ＝ ［］
for img＿name in tqdm（test［＇id＇］）：
   ＃ 定义图片路径
   image＿path ＝ ＇test＿ScVgIM0／test／＇ ＋ str（img＿name） ＋ ＇．png＇
   ＃ 读取图片
   img ＝ imread（image＿path， as＿gray＝True）
   ＃ 归一化像素
   img ／＝ 255．0
   ＃ 转换为浮点数
   img ＝ img．astype（＇float32＇）
   ＃ 添加到列表
   test＿img．append（img）
＃ 转换为numpy数组
test＿x ＝ np．array（test＿img）
test＿x．shape

现在，我们将对这些图像进行预处理步骤，类似于我们之前对训练图像所做的：

＃ 转换为torch格式
test＿x ＝ test＿x．reshape（10000， 1， 28， 28）
test＿x  ＝ torch．from＿numpy（test＿x）
test＿x．shape

最后，我们将生成对测试集的预测：

＃ 生成测试集预测
with torch．no＿grad（）：
   output ＝ model（test＿x．cuda（））
softmax ＝ torch．exp（output）．cpu（）
prob ＝ list（softmax．numpy（））
predictions ＝ np．argmax（prob， axis＝1）

用预测替换样本提交文件中的标签，最后保存文件并提交到排行榜：

＃ 用预测替换
sample＿submission［＇label＇］ ＝ predictions
sample＿submission．head（）

＃ 保存文件
sample＿submission．to＿csv（＇submission．csv＇， index＝False）

你将在当前目录中看到一个名为submission．csv的文件。你只需要把它上传到问题页面的解决方案检查器上，它就会生成分数。链接：https：／／datahack．analyticsvidhya．com／contest／practice－problem－identify－the－apparels／？utm＿source＝blog＆utm＿medium＝building－image－classification－models－cnn－pytorch

我们的CNN模型在测试集上给出了大约71％的准确率，这与我们在上一篇文章中使用简单的神经网络得到的65％的准确率相比是一个很大的进步。

结尾

在这篇文章中，我们研究了CNNs是如何从图像中提取特征的。他们帮助我们将之前的神经网络模型的准确率从65％提高到71％，这是一个重大的进步。

你可以尝试使用CNN模型的超参数，并尝试进一步提高准确性。要调优的超参数可以是卷积层的数量、每个卷积层的滤波器数量、epoch的数量、全连接层的数量、每个全连接层的隐藏单元的数量等。