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图片分类数据集p3
本系列文章是我学习李沐老师深度学习系列课程的学习笔记，可能会对李沐老师上课没讲到的进行补充。本文还参考了【李沐3】3.5、图像分类数据集

图片分类数据集

MNIST数据集是图像分类中广泛使用的数据集之一，但作为基准数据集过于简单。我们将使用类似但更复杂的Fashion-MNIST数据集

导入数据集

%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch.utils import data
from torchvision import transforms
import os
os.environ["KMP_DUPLICATE_LIB_OK"]="TRUE" # jupyter notebook运行d2l内核挂掉解决方法
from d2l import torch as d2l
# 设置中文字体
from pylab import mpl
mpl.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]   # 设置显示中文字体
mpl.rcParams["axes.unicode_minus"] = False   # 设置正常显示符号
d2l.use_svg_display()
# 导入必要的库和模块
# - torch：PyTorch库，用于构建和训练神经网络
# - torchvision：PyTorch中用于处理图像数据的库
# - torch.utils.data：PyTorch中用于处理数据加载的模块
# - torchvision.transforms：用于定义和应用数据转换的模块
# - d2l.torch：Dive into Deep Learning（《动手深度学习》）书中提供的PyTorch实用函数和工具

通过框架中的内置函数将Fashion-MNIST数据集下载并读取到内存中

首先下载数据集

# 通过ToTensor实例将图像数据从PIL类型变换成32位浮点数格式，
# 并除以255使得所有像素的数值均在0-1之间
trans = transforms.ToTensor()

# 创建FashionMNIST数据集的训练集实例
mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
    root="../data",  # 数据集存放的根目录（根目录的上一级目录（父级目录）下的data文件夹）
    train=True,      # 表示加载训练集
    transform=trans, # 数据变换，将图像数据转换为Tensor格式并归一化
    download=True    # 是否下载数据集（如果尚未下载的话）
)
# 创建FashionMNIST数据集的测试集实例
mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
    root="../data",  # 数据集存放的根目录
    train=False,     # 表示加载测试集（测试数据集是用来验证模型好坏的数据集）
    transform=trans, # 数据变换，将图像数据转换为Tensor格式并归一化
    download=True    # 是否下载数据集（如果尚未下载的话）
)

运行结果：

# 查看一下数据集和训练集的个数
print(len(mnist_train))
print(len(mnist_test))

运行结果：
60000
10000

# 查看数据集中一个图片的大小和颜色通道数（黑白图片，通道数为1）
print(mnist_train[0][0].shape)

运行结果：
torch.Size([1, 28, 28])

展示样本

# 将标签从数字转成具体的文字
def get_fashion_mnist_labels(labels):
    """
    返回Fashion-MNIST数据集的文本标签
    参数:
        labels: 包含数值标签的列表或数组
    返回:
        包含对应文本标签的列表
    """
    text_labels = ['T恤衫', '裤子', '套头衫', '裙子', '大衣',
                   '凉鞋', '衬衫', '运动鞋', '包', '短靴']
    # 比如1表示苹果，这里以前标记的是1，现在转换为苹果
    return [text_labels[int(i)] for i in labels]

def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5): #@save
    """
    绘制图像列表
    参数:
        imgs: 包含图像的列表
        num_rows: 图像展示的行数
        num_cols: 图像展示的列数
        titles: 可选参数，图像标题的列表
        scale: 可选参数，控制图像的缩放比例
    返回:
        无返回值，显示绘制的图像
    """
    # 计算绘图区域的尺寸
    figsize = (num_cols * scale, num_rows * scale)
    # 创建一个具有指定尺寸的子图
    _, axes = d2l.plt.subplots(num_rows, num_cols, figsize=figsize)
    # 将子图数组展平，以便逐个访问每个子图
    axes = axes.flatten()
    
    # 遍历图像列表并在每个子图中绘制图像
    for i, (ax, img) in enumerate(zip(axes, imgs)):
        if torch.is_tensor(img):
            # 如果图像是PyTorch的张量，将其转换为NumPy数组并在子图上显示
            ax.imshow(img.numpy())
        else:
            # 如果图像是PIL图像，直接在子图上显示
            ax.imshow(img)
        # 隐藏子图的x轴和y轴
        ax.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        ax.axes.get_yaxis().set_visible(False)
        if titles:
            # 如果提供了标题列表，设置当前子图的标题
            ax.set_title(titles[i])
    
    # 返回绘制的子图数组
    return axes
# 大小为固定数字批量的数据，用next拿到第一个小批量
x, y = next(iter(data.DataLoader(mnist_train, batch_size=18)))
# 18个图片，28x28像素，2行9列，展示第一批训练集样本和其对应的标签
show_images(x.reshape(18,28,28),2,9,titles=get_fashion_mnist_labels(y))

运行结果：

读取一小批量数据，大小为batch_size

batch_size = 256
def get_dataloader_workers(): #@save
    """使用4个进程来读取数据"""
    return 4

# 创建训练数据迭代器
train_iter = data.DataLoader(
    mnist_train,                       # 使用的数据集实例
    batch_size,                        # 每个批次的样本数量
    shuffle=True,                      # 是否在每个epoch前打乱数据顺序
    num_workers=get_dataloader_workers() # 用于加载数据的进程数量
)
# 计算运行时间（4进程读数据，根据自己的CPU核心数和性能自主决定用几个进程（几个核心））
timer = d2l.Timer()
for X,y in train_iter:
    continue
print(f"{timer.stop():.2f}秒")

运行结果：
3.09秒

定义load_data_fashion_mnist函数

把上面的所有功能都整合到load_data_fashion_mnist函数中

def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None): #@save
    """
    下载Fashion-MNIST数据集，然后将其加载到内存中
    参数:
        batch_size: 批次大小，用于小批量训练
        resize: 可选参数，指定图像调整的大小
    返回:
        包含训练数据迭代器和测试数据集的元组
    """
    # 创建数据变换列表，将图像转换为Tensor格式
    trans = [transforms.ToTensor()]
    
    # 如果提供了resize参数，将图像调整大小添加到变换列表
    if resize:
        trans.insert(0, transforms.Resize(resize))
        
    # 将变换列表组合成一个组合变换
    trans = transforms.Compose(trans)
    
    # 创建FashionMNIST数据集的训练集实例
    mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data",              # 数据集存放的根目录
        train=True,                  # 表示加载训练集
        transform=trans,             # 数据变换，包括调整大小和转换为Tensor
        download=True                # 是否下载数据集（如果尚未下载的话）
    )
    
    # 创建FashionMNIST数据集的测试集实例
    mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data",              # 数据集存放的根目录
        train=False,                 # 表示加载测试集
        transform=trans,             # 数据变换，包括调整大小和转换为Tensor
        download=True                # 是否下载数据集（如果尚未下载的话）
    )
    
    # 创建训练数据迭代器，并指定批次大小、是否打乱顺序和数据加载进程数量
    train_data = data.DataLoader(
        mnist_train,                 # 使用的训练数据集实例
        batch_size,                  # 每个批次的样本数量
        shuffle=True,                # 是否在每个epoch前打乱数据顺序
        num_workers=get_dataloader_workers()  # 数据加载进程数量
    )
    
    # 创建测试数据迭代器，并指定批次大小、不打乱顺序和数据加载进程数量
    test_data = data.DataLoader(
        mnist_test,                  # 使用的测试数据集实例
        batch_size,                  # 每个批次的样本数量
        shuffle=False,               # 不打乱数据顺序
        num_workers=get_dataloader_workers()  # 数据加载进程数量
    )
    
    # 返回训练数据迭代器和测试数据迭代器的元组
    return train_data, test_data