Pytorch进阶教学——训练一个图像分类模型（GPU）

1、前言

2、数据集介绍

3、获取数据

4、创建网络

5、训练模型

6、测试模型

6.1、测试整个模型准确率

6.2、测试单张图片

1、前言

编写一个可以分类蚂蚁和蜜蜂图片的模型，使用数据集对卷积神经网络进行训练。训练后的模型可以对蚂蚁或蜜蜂的图片进行检测。
使用anaconda新建一个虚拟环境，安装好pytorch。后续缺什么包就安装什么包即可。
使用pycharm新建一个项目，配置好环境。

2、数据集介绍

使用的数据集为蚂蚁和蜜蜂的图片，分为训练集和测试集。
【注】数据集下载地址。

3、获取数据

代码中获取数据集使用的是txt文件，所以首先需要提取全部图片的地址和标签放入txt文件中。

下述代码为python提取全部图片地址和标签导出为txt文件的脚本。（自行修改）

import os  # 导入os模块，用于操作文件路径等操作系统相关功能。


def get_file_name(file_path, output_file, type):  # 绝对路径
    path_list = os.listdir(file_path)  # 列出指定路径下的所有文件和文件夹，并将结果存储在path_list中
    with open(output_file, 'a') as file:
        for filename in path_list:
            all_file_path = os.path.join(file_path, filename)  # 拼接路径
            file.write(all_file_path + ' ' + type + '\n')


if __name__ == '__main__':
    ants_file_path = r"D:\BaiduNetdiskWorkspace\PyTorch\image_recognition\hymenoptera_data\train\ants"
    bees_file_path = r"D:\BaiduNetdiskWorkspace\PyTorch\image_recognition\hymenoptera_data\train\bees"
    output_file = r"D:\BaiduNetdiskWorkspace\PyTorch\image_recognition\hymenoptera_data\train.txt"
    get_file_name(ants_file_path, output_file, 'ants')
    get_file_name(bees_file_path, output_file, 'bees')

将全部地址修改为相对地址。
- 使用替换操作实现。例如：
最后txt文件的内容如下：

新建一个dataset.py文件。

# 读取数据
import torch
import torchvision.transforms as transforms
from PIL import Image


# 读取数据类
class MyDataset(torch.utils.data.Dataset):  # 继承构建自定义数据集的基类
    def __init__(self, datatxt, datatransform):
        datas = open(datatxt, 'r').readlines()  # 按行读取，每行包含图像路径和标签
        self.images = []
        self.labels = []
        self.transform = datatransform
        for data in datas:
            item = data.strip().split(' ')  # 去除首尾空格并按空格分割
            # 分别将图像路径和标签添加到self.images和self.labels列表中
            self.images.append(item[0])  # 路径
            self.labels.append(item[1])  # 标签
        return

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

    # 获取数据集中的一个样本。接收一个索引item，根据索引获取对应的图像路径和标签
    def __getitem__(self, item):
        imagepath, label = self.images[item], self.labels[item]
        image = Image.open(imagepath)  # 打开图片
        return self.transform(image), label  # 返回转换后的图像和对应的标签


# 用于测试
if __name__ == '__main__':
    # 利用txt文件读取图片信息，txt文件包括图片路径和标签
    traintxt = './hymenoptera_data/train.txt'
    valtxt = './hymenoptera_data/val.txt'
    # 图片转换形式
    traindata_transfomer = transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),  # 转为Tensor格式
        transforms.Resize(60),  # 调整图像大小，调整为高度或宽度为60像素，另一边按比例调整
        transforms.RandomCrop(48),  # 裁剪图片，随机裁剪成高度和宽度均为48像素的部分
        transforms.RandomHorizontalFlip(),  # 随机水平翻转
        transforms.RandomRotation(10),  # 随机旋转
        transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))  # 对图像进行归一化处理。对每个通道执行了均值为0.5、标准差为0.5的归一化操作
    ])
    valdata_transfomer = transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),  # 转为Tensor格
        transforms.Resize(48),  # 调整图像大小，调整为高度或宽度为48像素，另一边按比例调整
        transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
    ])
    # 加载数据
    traindataset = MyDataset(traintxt, traindata_transfomer)
    valdataset = MyDataset(valtxt, valdata_transfomer)
    print("测试集：" + str(traindataset.__len__()))
    print("训练集：" + str(valdataset.__len__()))

单独运行结果：（只用于测试）

4、创建网络

新建一个net.py文件。

其中创建了一个简单的三层卷积神经网络。

# 三层卷积神经网络
import torch


# 卷积神经网络类
class SimpleConv3(torch.nn.Module):  # 继承创建神经网络的基类
    def __init__(self, classes):
        super(SimpleConv3, self).__init__()
        # 卷积层
        self.conv1 = torch.nn.Conv2d(3, 16, 3, 2, 1)  # 输入通道3，输出通道16，3*3的卷积核，步长2，边缘填充1
        self.conv2 = torch.nn.Conv2d(16, 32, 3, 2, 1)  # 输入通道16，输出通道32，3*3的卷积核，步长2，边缘填充1
        self.conv3 = torch.nn.Conv2d(32, 64, 3, 2, 1)  # 输入通道32，输出通道64，3*3的卷积核，步长2，边缘填充1
        # 全连接层
        self.fc1 = torch.nn.Linear(2304, 100)
        self.fc2 = torch.nn.Linear(100, classes)

    def forward(self, x):
        # 第一次卷积
        x = torch.nn.functional.relu(self.conv1(x))  # relu为激活函数
        # 第二次卷积
        x = torch.nn.functional.relu(self.conv2(x))
        # 第三次卷积
        x = torch.nn.functional.relu(self.conv3(x))
        # 展开成一维向量
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = torch.nn.functional.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return x


# 用于测试
if __name__ == '__main__':
    inputs = torch.rand((1, 3, 48, 48))  # 生成一个随机的3通道、48x48大小的张量作为输入
    net = SimpleConv3(2)  # 二分类
    output = net(inputs)
    print(output)

单独运行结果：（只用于测试）

5、训练模型

新建一个train.py文件。

其中可自行设置的参数都有标出。

# 训练模型
import matplotlib

matplotlib.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt
from dataset import MyDataset
from net import SimpleConv3
import torch
import torchvision.transforms as transforms
from torch.optim import SGD  # 优化相关
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR  # 优化相关
from sklearn import preprocessing  # 处理label

# 图片转换形式
traindata_transfomer = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),  # 转为Tensor格式
    transforms.Resize(60, antialias=True),  # 调整图像大小，调整为高度或宽度为60像素，另一边按比例调整，antialias=True启用了抗锯齿功能
    transforms.RandomCrop(48),  # 裁剪图片，随机裁剪成高度和宽度均为48像素的部分
    transforms.RandomHorizontalFlip(),  # 随机水平翻转
    transforms.RandomRotation(10),  # 随机旋转
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))  # 对图像进行归一化处理。对每个通道执行了均值为0.5、标准差为0.5的归一化操作
])

if __name__ == '__main__':
    traintxt = './hymenoptera_data/train.txt'
    valtxt = './hymenoptera_data/val.txt'

    # 加载数据
    traindataset = MyDataset(traintxt, traindata_transfomer)

    # 创建卷积神经网络
    net = SimpleConv3(2)  # 二分类
    # 使用GPU
    device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
    net.to(device)
    # 测试GPU是否能使用
    # print("The device is gpu later?:", next(net.parameters()).is_cuda)
    # print("The device is gpu,", next(net.parameters()).device)

    # 将数据提供给模型使用
    traindataloader = torch.utils.data.DataLoader(traindataset, batch_size=128, shuffle=True,
                                                  num_workers=1)  # batch_size可以自行调节
    # 优化器
    optim = SGD(net.parameters(), lr=0.1, momentum=0.9)  # 使用随机梯度下降（SGD）作为优化器，学习率0.1，动量0.9，加速梯度下降过程，lr可自行调节
    criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()  # 使用交叉熵损失作为损失函数
    lr_step = StepLR(optim, step_size=200, gamma=0.1)  # 学习率调度器，动态调整学习率，每200个epoch调整一次，每次调整缩小为原来的0.1倍，step_size可自行调节
    epochs = 5  # 训练次数
    accs = []
    losss = []
    # 训练循环
    for epoch in range(0, epochs):
        batch = 0
        running_acc = 0.0  # 精度
        running_loss = 0.0  # 损失
        for data in traindataloader:
            batch += 1
            imputs, labels = data
            # 将标签从元组转换为tensor类型
            labels = preprocessing.LabelEncoder().fit_transform(labels)
            labels = torch.as_tensor(labels)
            # 利用GPU训练模型
            imputs = imputs.to(device)
            labels = labels.to(device)
            # 将数据输入至网络
            output = net(imputs)
            # 计算损失
            loss = criterion(output, labels)
            # 平均准确率
            acc = float(torch.sum(labels == torch.argmax(output, 1))) / len(imputs)
            # 累加损失和准确率，后面会除以batch
            running_acc += acc
            running_loss += loss.data.item()

            optim.zero_grad()  # 清空梯度
            loss.backward()  # 反向传播
            optim.step()  # 更新参数

        lr_step.step()  # 更新优化器的学习率
        # 一次训练的精度和损失
        running_acc = running_acc / batch
        running_loss = running_loss / batch
        accs.append(running_acc)
        losss.append(running_loss)
        print('epoch=' + str(epoch) + ' loss=' + str(running_loss) + ' acc=' + str(running_acc))

    # 保存模型
    torch.save(net, 'model.pth')  # 保存模型的权重和结构
    x = torch.randn(1, 3, 48, 48).to(device)  # # 生成一个随机的3通道、48x48大小的张量作为输入，新建的张量也要送到GPU中
    net = torch.load('model.pth')  # 从保存的.pth文件中加载模型
    net.train(False)  # 设置模型为推理模式，意味着不会进行梯度计算或反向传播
    torch.onnx.export(net, x, 'model.onnx')  # 使用ONNX格式导出模型
    # 接受模型net、示例输入x和导出的文件名model.onnx作为参数

    # 可视化结果
    fig = plt.figure()
    plot1, = plt.plot(range(len(accs)), accs)  # 创建一个图形对象plot1，绘制accs列表中的数据
    plot2, = plt.plot(range(len(losss)), losss)  # 创建另一个图形对象plot2，绘制losss列表中的数据
    plt.ylabel('epoch')  # 设置y轴的标签为epoch
    plt.legend(handles=[plot1, plot2], labels=['acc', 'loss'])  # 创建图例，指定图表中不同曲线的标签
    plt.show()  # 展示所绘制的图表

【注】本项目使用的是GPU训练模型。如果GPU可以获得，但是无法使用，可能是pytorch的版本不对，需要重新安装。
运行结果：
保存后的模型如下：

6、测试模型

6.1、测试整个模型准确率

利用测试集，测试整个模型的准确率。

新建一个test.py文件。

# 测试整个模型的准确率
import torch
import torchvision.transforms as transforms
from dataset import MyDataset  # 您的数据集类
from sklearn import preprocessing  # 处理label

# 定义测试集的数据转换形式
valdata_transfomer = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),  # 转为Tensor格式
    transforms.Resize(60, antialias=True),  # 调整图像大小，调整为高度或宽度为60像素，另一边按比例调整，antialias=True启用了抗锯齿功能
    transforms.CenterCrop(48),  # 中心裁剪图片，裁剪成高度和宽度均为48像素的部分
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))  # 对图像进行归一化处理。对每个通道执行了均值为0.5、标准差为0.5的归一化操作
])

if __name__ == '__main__':
    valtxt = './hymenoptera_data/val.txt'  # 测试集数据路径

    # 加载测试集数据
    valdataset = MyDataset(valtxt, valdata_transfomer)

    # 加载已训练好的模型，利用GPU进行测试
    device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
    net = torch.load('model.pth').to(device)
    net.eval()  # 将模型设置为评估模式，意味着不会进行梯度计算或反向传播

    # 使用 DataLoader 加载测试集数据
    valdataloader = torch.utils.data.DataLoader(valdataset, batch_size=1, shuffle=False)

    correct = 0  # 被正确预测的样本数
    total = 0  # 测试样本数

    # 测试模型
    with torch.no_grad():
        for data in valdataloader:
            images, labels = data
            # 将标签从元组转换为tensor类型
            labels = preprocessing.LabelEncoder().fit_transform(labels)
            labels = torch.as_tensor(labels)
            # 利用GPU训练模型
            images, labels = images.to(device), labels.to(device)
            outputs = net(images)  # 输入图像并获取模型预测结果
            _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)  # 获取预测值中最大概率的索引
            total += labels.size(0)  # 累计测试样本数量
            correct += (predicted == labels).sum().item()  # 计算正确预测的样本数量

    # 计算并输出模型在测试集上的准确率
    accuracy = 100 * correct / total
    print('Test Accuracy: {:.2f}%'.format(accuracy))

运行结果：
- 因为训练模型时只迭代了200次，所以准确率并不高。可以尝试提高训练次数，提高准确率。

6.2、测试单张图片

使用训练后的模型，对单张图片进行预测。

新建一个testone.py文件。

import torch
from PIL import Image
import torchvision.transforms as transforms

# 定义图片预处理转换
image_transforms = transforms.Compose([
    transforms.Resize(60, antialias=True),  # 调整图像大小
    transforms.CenterCrop(48),  # 中心裁剪
    transforms.ToTensor(),  # 转为Tensor格式
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))  # 归一化处理
])

# 定义类别映射字典
class_mapping = {
    0: "ant",
    1: "bee"
}

# 加载已训练好的模型，利用GPU测试
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
net = torch.load('model.pth').to(device)
net.eval()  # 将模型设置为评估模式，意味着不会进行梯度计算或反向传播

# 加载要测试的图片
image_path = './hymenoptera_data/val/bees/26589803_5ba7000313.jpg'  # 图片路径
input_image = Image.open(image_path)  # 加载图片
input_tensor = image_transforms(input_image).unsqueeze(0)  # 对图片进行预处理转换，并增加 batch 维度

# 将输入数据移动到GPU上
input_tensor = input_tensor.to(device)

# 使用模型进行预测
with torch.no_grad():
    output = net(input_tensor)
    _, predicted = torch.max(output, 1)  # 在张量中沿指定维度找到最大值及其对应的索引

# 输出预测结果
predicted_class = predicted.item()  # 得到预测的标签
predicted_label = class_mapping[predicted_class]  # 将标签转换为文字
print(f"The predicted class for the image is: {predicted_label}")