我用 PyTorch 复现了 LeNet-5 神经网络（自定义数据集篇）！

Posted 2022-02-03 红色石头Will

大家好，我是红色石头！

在上三篇文章：

这可能是神经网络 LeNet-5 最详细的解释了！

我用 PyTorch 复现了 LeNet-5 神经网络（MNIST 手写数据集篇）！

我用 PyTorch 复现了 LeNet-5 神经网络（CIFAR10 数据集篇）！

详细介绍了卷积神经网络 LeNet-5 的理论部分和使用 PyTorch 复现 LeNet-5 网络来解决 MNIST 数据集和 CIFAR10 数据集。然而大多数实际应用中，我们需要自己构建数据集，进行识别。因此，本文将讲解一下如何使用 LeNet-5 训练自己的数据。

正文开始！

三、用 LeNet-5 训练自己的数据

下面使用 LeNet-5 网络来训练本地的数据并进行测试。数据集是本地的 LED 数字 0-9，尺寸为 28x28 单通道，跟 MNIST 数据集类似。训练集 0-9 各 95 张，测试集 0~9 各 40 张。图片样例如图所示：

3.1 数据预处理

制作图片数据的索引

对于训练集和测试集，要分别制作对应的图片数据索引，即 train.txt 和 test.txt两个文件，每个 txt 中包含每个图片的目录和对应类别 class。示意图如下：

制作图片数据索引的 python 脚本程序如下：

import os


train_txt_path = os.path.join("data", "LEDNUM", "train.txt")
train_dir = os.path.join("data", "LEDNUM", "train_data")
valid_txt_path = os.path.join("data", "LEDNUM", "test.txt")
valid_dir = os.path.join("data", "LEDNUM", "test_data")


def gen_txt(txt_path, img_dir):
    f = open(txt_path, 'w')


    for root, s_dirs, _ in os.walk(img_dir, topdown=True):  # 获取 train文件下各文件夹名称
        for sub_dir in s_dirs:
            i_dir = os.path.join(root, sub_dir)             # 获取各类的文件夹 绝对路径
            img_list = os.listdir(i_dir)                    # 获取类别文件夹下所有png图片的路径
            for i in range(len(img_list)):
                if not img_list[i].endswith('jpg'):         # 若不是png文件，跳过
                    continue
                label = img_list[i].split('_')[0]
                img_path = os.path.join(i_dir, img_list[i])
                line = img_path + ' ' + label + '\\n'
                f.write(line)
    f.close()


if __name__ == '__main__':
    gen_txt(train_txt_path, train_dir)
    gen_txt(valid_txt_path, valid_dir)

运行脚本之后就在 ./data/LEDNUM/ 目录下生成 train.txt 和 test.txt 两个索引文件。

构建Dataset子类

pytorch 加载自己的数据集，需要写一个继承自 torch.utils.data 中 Dataset 类，并修改其中的 __init__ 方法、__getitem__ 方法、__len__ 方法。默认加载的都是图片，__init__ 的目的是得到一个包含数据和标签的 list，每个元素能找到图片位置和其对应标签。然后用 __getitem__ 方法得到每个元素的图像像素矩阵和标签，返回 img 和 label。

from PIL import Image
from torch.utils.data import Dataset


class MyDataset(Dataset):
    def __init__(self, txt_path, transform = None, target_transform = None):
        fh = open(txt_path, 'r')
        imgs = []
        for line in fh:
            line = line.rstrip()
            words = line.split()
            imgs.append((words[0], int(words[1])))
            self.imgs = imgs 
            self.transform = transform
            self.target_transform = target_transform
    def __getitem__(self, index):
        fn, label = self.imgs[index]
        #img = Image.open(fn).convert('RGB') 
        img = Image.open(fn)
        if self.transform is not None:
            img = self.transform(img) 
        return img, label
    def __len__(self):
        return len(self.imgs)

getitem 是核心函数。self.imgs 是一个 list，self.imgs[index] 是一个 str，包含图片路径，图片标签，这些信息是从上面生成的txt文件中读取；利用 Image.open 对图片进行读取，注意这里的 img 是单通道还是三通道的；self.transform(img) 对图片进行处理，这个 transform 里边可以实现减均值、除标准差、随机裁剪、旋转、翻转、放射变换等操作。

当 Mydataset构 建好，剩下的操作就交给 DataLoder，在 DataLoder 中，会触发 Mydataset 中的 getiterm 函数读取一张图片的数据和标签，并拼接成一个 batch 返回，作为模型真正的输入。

pipline_train = transforms.Compose([
    #随机旋转图片
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    #将图片尺寸resize到32x32
    transforms.Resize((32,32)),
    #将图片转化为Tensor格式
    transforms.ToTensor(),
    #正则化(当模型出现过拟合的情况时，用来降低模型的复杂度)
    transforms.Normalize((0.1307,),(0.3081,))    
])
pipline_test = transforms.Compose([
    #将图片尺寸resize到32x32
    transforms.Resize((32,32)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.1307,),(0.3081,))
])
train_data = MyDataset('./data/LEDNUM/train.txt', transform=pipline_train)
test_data = MyDataset('./data/LEDNUM/test.txt', transform=pipline_test)


#train_data 和test_data包含多有的训练与测试数据，调用DataLoader批量加载
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_data, batch_size=8, shuffle=True)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_data, batch_size=4, shuffle=False)

3.2 搭建 LeNet-5 神经网络结构

class LeNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LeNet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5) 
        self.relu = nn.ReLU()
        self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(2, 2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(2, 2)
        self.fc1 = nn.Linear(16*5*5, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)


    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.maxpool2(x)
        x = x.view(-1, 16*5*5)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        output = F.log_softmax(x, dim=1)
        return output

3.3 将定义好的网络结构搭载到 GPU/CPU，并定义优化器

#创建模型，部署gpu
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = LeNet().to(device)
#定义优化器
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

3.4 定义训练函数

def train_runner(model, device, trainloader, optimizer, epoch):
    #训练模型, 启用 BatchNormalization 和 Dropout, 将BatchNormalization和Dropout置为True
    model.train()
    total = 0
    correct =0.0


    #enumerate迭代已加载的数据集,同时获取数据和数据下标
    for i, data in enumerate(trainloader, 0):
        inputs, labels = data
        #把模型部署到device上
        inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)
        #初始化梯度
        optimizer.zero_grad()
        #保存训练结果
        outputs = model(inputs)
        #计算损失和
        #多分类情况通常使用cross_entropy(交叉熵损失函数), 而对于二分类问题, 通常使用sigmod
        loss = F.cross_entropy(outputs, labels)
        #获取最大概率的预测结果
        #dim=1表示返回每一行的最大值对应的列下标
        predict = outputs.argmax(dim=1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predict == labels).sum().item()
        #反向传播
        loss.backward()
        #更新参数
        optimizer.step()
        if i % 100 == 0:
            #loss.item()表示当前loss的数值
            print("Train Epoch \\t Loss: :.6f, accuracy: :.6f%".format(epoch, loss.item(), 100*(correct/total)))
            Loss.append(loss.item())
            Accuracy.append(correct/total)
    return loss.item(), correct/total

3.5 定义测试函数

def test_runner(model, device, testloader):
    #模型验证, 必须要写, 否则只要有输入数据, 即使不训练, 它也会改变权值
    #因为调用eval()将不启用 BatchNormalization 和 Dropout, BatchNormalization和Dropout置为False
    model.eval()
    #统计模型正确率, 设置初始值
    correct = 0.0
    test_loss = 0.0
    total = 0
    #torch.no_grad将不会计算梯度, 也不会进行反向传播
    with torch.no_grad():
        for data, label in testloader:
            data, label = data.to(device), label.to(device)
            output = model(data)
            test_loss += F.cross_entropy(output, label).item()
            predict = output.argmax(dim=1)
            #计算正确数量
            total += label.size(0)
            correct += (predict == label).sum().item()
        #计算损失值
        print("test_avarage_loss: :.6f, accuracy: :.6f%".format(test_loss/total, 100*(correct/total)))

3.6 运行

#调用
epoch = 5
Loss = []
Accuracy = []
for epoch in range(1, epoch+1):
    print("start_time",time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S',time.localtime(time.time())))
    loss, acc = train_runner(model, device, trainloader, optimizer, epoch)
    Loss.append(loss)
    Accuracy.append(acc)
    test_runner(model, device, testloader)
    print("end_time: ",time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S',time.localtime(time.time())),'\\n')


print('Finished Training')
plt.subplot(2,1,1)
plt.plot(Loss)
plt.title('Loss')
plt.show()
plt.subplot(2,1,2)
plt.plot(Accuracy)
plt.title('Accuracy')
plt.show()

经历 5 次 epoch 的 loss 和 accuracy 曲线如下：

3.7 模型保存

torch.save(model, './models/model-mine.pth') #保存模型

3.8 模型测试

下面使用上面训练的模型对一张 LED 图片进行测试。

from PIL import Image
import numpy as np


if __name__ == '__main__':
    device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    model = torch.load('./models/model-mine.pth') #加载模型
    model = model.to(device)
    model.eval()    #把模型转为test模式


    #读取要预测的图片
    # 读取要预测的图片
    img = Image.open("./images/test_led.jpg") # 读取图像
    #img.show()
    plt.imshow(img,cmap="gray") # 显示图片
    plt.axis('off') # 不显示坐标轴
    plt.show()


    # 导入图片，图片扩展后为[1，1，32，32]
    trans = transforms.Compose(
        [
            #将图片尺寸resize到32x32
            transforms.Resize((32,32)),
            transforms.ToTensor(),
            transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
        ])
    img = trans(img)
    img = img.to(device)
    img = img.unsqueeze(0)  #图片扩展多一维,因为输入到保存的模型中是4维的[batch_size,通道,长，宽]，而普通图片只有三维，[通道,长，宽]


    # 预测 
    output = model(img)
    prob = F.softmax(output,dim=1) #prob是10个分类的概率
    print("概率：",prob)
    value, predicted = torch.max(output.data, 1)
    predict = output.argmax(dim=1)
    print("预测类别：",predict.item())

概率：tensor([[7.2506e-11, 7.0065e-18, 7.1749e-06, 7.4855e-13, 7.3532e-08, 8.5405e-17,
         2.5753e-15, 9.7887e-10, 2.7855e-05, 9.9996e-01]],
       grad_fn=<SoftmaxBackward>)
预测类别：9

模型预测结果正确！

以上就是 PyTorch 构建 LeNet-5 卷积神经网络并用它来识别自定义数据集的例子。全文的代码都是可以顺利运行的，建议大家自己跑一边。

总结：

是我们目前分别复现了 LeNet-5 来识别 MNIST、CIFAR10 和自定义数据集，基本上涵盖了基于 PyToch 的 LeNet-5 实战的所有内容。希望对大家有所帮助！

所有完整的代码我都放在 GitHub 上，GitHub地址为：

https://github.com/RedstoneWill/ObjectDetectionLearner/tree/main/LeNet-5

也可以点击阅读原文进入~

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