目录

环境配置

加载数据集

数据集可视化

构建Resnet50网络

固定特征进行训练

训练和评估

可视化模型预测

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环境配置

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         MindSpore 库的版本管理和数据集的下载操作。首先，它卸载了已安装的 MindSpore 版本，并重新安装指定版本（2.3.0rc1）。然后，通过 pip show mindspore 查看当前安装的 MindSpore 版本。最后，使用自定义的 download 函数从给定的 URL 下载一个名为 Canidae_data.zip 的数据集到指定的本地路径（./datasets-Canidae），并设置了覆盖已存在文件的选项。

        代码如下：

%%capture captured_output
# 实验环境已经预装了mindspore==2.3.0rc1，如需更换mindspore版本，可更改下面mindspore的版本号
!pip uninstall mindspore -y
!pip install -i https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple mindspore==2.3.0rc1
# 查看当前 mindspore 版本
!pip show mindspore
from download import download

dataset_url = "https://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/datasets/intermediate/Canidae_data.zip"

download(dataset_url, "./datasets-Canidae", kind="zip", replace=True)

加载数据集

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        首先定义了一些训练相关的参数，如批量大小、图像大小、训练周期数、学习率、动量和并行线程个数。

        然后指定了训练集和验证集的目录路径。

        接着定义了一个名为 create_dataset_canidae 的函数，用于根据指定的数据集路径和用途（训练或验证）创建数据集。

        在函数内部，先创建了一个 ImageFolderDataset 对象，并根据用途定义了不同的数据增强操作，包括随机裁剪、水平翻转、归一化等。然后对数据进行映射操作，并执行批量操作。

        最后，使用上述函数创建了训练集 dataset_train 和验证集 dataset_val ，并获取了它们的批量数量。

        代码如下：

batch_size = 18                             # 批量大小
image_size = 224                            # 训练图像空间大小
num_epochs = 5                             # 训练周期数
lr = 0.001                                  # 学习率
momentum = 0.9                              # 动量
workers = 4                                 # 并行线程个数
import mindspore as ms
import mindspore.dataset as ds
import mindspore.dataset.vision as vision

# 数据集目录路径
data_path_train = "./datasets-Canidae/data/Canidae/train/"
data_path_val = "./datasets-Canidae/data/Canidae/val/"

# 创建训练数据集

def create_dataset_canidae(dataset_path, usage):
    """数据加载"""
    data_set = ds.ImageFolderDataset(dataset_path,
                                     num_parallel_workers=workers,
                                     shuffle=True,)

    # 数据增强操作
    mean = [0.485 * 255, 0.456 * 255, 0.406 * 255]
    std = [0.229 * 255, 0.224 * 255, 0.225 * 255]
    scale = 32

    if usage == "train":
        # Define map operations for training dataset
        trans = [
            vision.RandomCropDecodeResize(size=image_size, scale=(0.08, 1.0), ratio=(0.75, 1.333)),
            vision.RandomHorizontalFlip(prob=0.5),
            vision.Normalize(mean=mean, std=std),
            vision.HWC2CHW()
        ]
    else:
        # Define map operations for inference dataset
        trans = [
            vision.Decode(),
            vision.Resize(image_size + scale),
            vision.CenterCrop(image_size),
            vision.Normalize(mean=mean, std=std),
            vision.HWC2CHW()
        ]


    # 数据映射操作
    data_set = data_set.map(
        operations=trans,
        input_columns='image',
        num_parallel_workers=workers)


    # 批量操作
    data_set = data_set.batch(batch_size)

    return data_set


dataset_train = create_dataset_canidae(data_path_train, "train")
step_size_train = dataset_train.get_dataset_size()

dataset_val = create_dataset_canidae(data_path_val, "val")
step_size_val = dataset_val.get_dataset_size()

数据集可视化

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        首先从训练数据集 dataset_train 中获取了下一个数据批次，并提取出其中的图像数据 images 和标签数据 labels 。然后打印出图像数据的张量形状和标签。接着定义了一个包含类别名称与标签对应关系的字典 class_name 。之后使用 matplotlib.pyplot 绘制图像，从获取的数据中选取了 4 幅图像进行展示。对每幅图像进行了预处理，包括转置维度、反标准化等操作，并为每个子图添加了对应的类别名称标题，同时关闭了坐标轴显示，最后展示了绘制的图像。

        代码如下：

data = next(dataset_train.create_dict_iterator())
images = data["image"]
labels = data["label"]

print("Tensor of image", images.shape)
print("Labels:", labels)
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# class_name对应label，按文件夹字符串从小到大的顺序标记label
class_name = {0: "dogs", 1: "wolves"}

plt.figure(figsize=(5, 5))
for i in range(4):
    # 获取图像及其对应的label
    data_image = images[i].asnumpy()
    data_label = labels[i]
    # 处理图像供展示使用
    data_image = np.transpose(data_image, (1, 2, 0))
    mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
    std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    data_image = std * data_image + mean
    data_image = np.clip(data_image, 0, 1)
    # 显示图像
    plt.subplot(2, 2, i+1)
    plt.imshow(data_image)
    plt.title(class_name[int(labels[i].asnumpy())])
    plt.axis("off")

plt.show()

        运行结果：

构建Resnet50网络

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        实现基于残差网络（Residual Network）的 ResNet 模型。

        首先，定义了两种残差块 ResidualBlockBase 和 ResidualBlock ，它们具有不同的卷积层结构和参数。

        然后，定义了 make_layer 函数，用于构建包含多个相同残差块的层。

        接下来是 ResNet 类，它在初始化方法中定义了一系列的卷积层、池化层、残差网络层、平均池化层、全连接层等。construct 方法定义了数据在模型中的前向传播过程。

        之后，定义了 _resnet 函数，用于创建 ResNet 模型，并根据是否预训练来加载预训练模型的参数。

        最后，resnet50 函数具体创建了一个 ResNet50 模型，并指定了预训练模型的 URL 和本地保存路径，以及是否使用预训练模型。

        代码如下：

from typing import Type, Union, List, Optional
from mindspore import nn, train
from mindspore.common.initializer import Normal


weight_init = Normal(mean=0, sigma=0.02)
gamma_init = Normal(mean=1, sigma=0.02)
class ResidualBlockBase(nn.Cell):
    expansion: int = 1  # 最后一个卷积核数量与第一个卷积核数量相等

    def __init__(self, in_channel: int, out_channel: int,
                 stride: int = 1, norm: Optional[nn.Cell] = None,
                 down_sample: Optional[nn.Cell] = None) -> None:
        super(ResidualBlockBase, self).__init__()
        if not norm:
            self.norm = nn.BatchNorm2d(out_channel)
        else:
            self.norm = norm

        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channel, out_channel,
                               kernel_size=3, stride=stride,
                               weight_init=weight_init)
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_channel, out_channel,
                               kernel_size=3, weight_init=weight_init)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.down_sample = down_sample

    def construct(self, x):
        """ResidualBlockBase construct."""
        identity = x  # shortcuts分支

        out = self.conv1(x)  # 主分支第一层：3*3卷积层
        out = self.norm(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv2(out)  # 主分支第二层：3*3卷积层
        out = self.norm(out)

        if self.down_sample is not None:
            identity = self.down_sample(x)
        out += identity  # 输出为主分支与shortcuts之和
        out = self.relu(out)

        return out
class ResidualBlock(nn.Cell):
    expansion = 4  # 最后一个卷积核的数量是第一个卷积核数量的4倍

    def __init__(self, in_channel: int, out_channel: int,
                 stride: int = 1, down_sample: Optional[nn.Cell] = None) -> None:
        super(ResidualBlock, self).__init__()

        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channel, out_channel,
                               kernel_size=1, weight_init=weight_init)
        self.norm1 = nn.BatchNorm2d(out_channel)
        self.conv2 = nn.Conv2d(out_channel, out_channel,
                               kernel_size=3, stride=stride,
                               weight_init=weight_init)
        self.norm2 = nn.BatchNorm2d(out_channel)
        self.conv3 = nn.Conv2d(out_channel, out_channel * self.expansion,
                               kernel_size=1, weight_init=weight_init)
        self.norm3 = nn.BatchNorm2d(out_channel * self.expansion)

        self.relu = nn.ReLU()
        self.down_sample = down_sample

    def construct(self, x):

        identity = x  # shortscuts分支

        out = self.conv1(x)  # 主分支第一层：1*1卷积层
        out = self.norm1(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv2(out)  # 主分支第二层：3*3卷积层
        out = self.norm2(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv3(out)  # 主分支第三层：1*1卷积层
        out = self.norm3(out)

        if self.down_sample is not None:
            identity = self.down_sample(x)

        out += identity  # 输出为主分支与shortcuts之和
        out = self.relu(out)

        return out
def make_layer(last_out_channel, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
               channel: int, block_nums: int, stride: int = 1):
    down_sample = None  # shortcuts分支


    if stride != 1 or last_out_channel != channel * block.expansion:

        down_sample = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(last_out_channel, channel * block.expansion,
                      kernel_size=1, stride=stride, weight_init=weight_init),
            nn.BatchNorm2d(channel * block.expansion, gamma_init=gamma_init)
        ])

    layers = []
    layers.append(block(last_out_channel, channel, stride=stride, down_sample=down_sample))

    in_channel = channel * block.expansion
    # 堆叠残差网络
    for _ in range(1, block_nums):

        layers.append(block(in_channel, channel))

    return nn.SequentialCell(layers)
from mindspore import load_checkpoint, load_param_into_net


class ResNet(nn.Cell):
    def __init__(self, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
                 layer_nums: List[int], num_classes: int, input_channel: int) -> None:
        super(ResNet, self).__init__()

        self.relu = nn.ReLU()
        # 第一个卷积层，输入channel为3（彩色图像），输出channel为64
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, weight_init=weight_init)
        self.norm = nn.BatchNorm2d(64)
        # 最大池化层，缩小图片的尺寸
        self.max_pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, pad_mode='same')
        # 各个残差网络结构块定义，
        self.layer1 = make_layer(64, block, 64, layer_nums[0])
        self.layer2 = make_layer(64 * block.expansion, block, 128, layer_nums[1], stride=2)
        self.layer3 = make_layer(128 * block.expansion, block, 256, layer_nums[2], stride=2)
        self.layer4 = make_layer(256 * block.expansion, block, 512, layer_nums[3], stride=2)
        # 平均池化层
        self.avg_pool = nn.AvgPool2d()
        # flattern层
        self.flatten = nn.Flatten()
        # 全连接层
        self.fc = nn.Dense(in_channels=input_channel, out_channels=num_classes)

    def construct(self, x):

        x = self.conv1(x)
        x = self.norm(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.max_pool(x)

        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)

        x = self.avg_pool(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.fc(x)

        return x


def _resnet(model_url: str, block: Type[Union[ResidualBlockBase, ResidualBlock]],
            layers: List[int], num_classes: int, pretrained: bool, pretrianed_ckpt: str,
            input_channel: int):
    model = ResNet(block, layers, num_classes, input_channel)

    if pretrained:
        # 加载预训练模型
        download(url=model_url, path=pretrianed_ckpt, replace=True)
        param_dict = load_checkpoint(pretrianed_ckpt)
        load_param_into_net(model, param_dict)

    return model


def resnet50(num_classes: int = 1000, pretrained: bool = False):
    "ResNet50模型"
    resnet50_url = "https://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/notebook/models/application/resnet50_224_new.ckpt"
    resnet50_ckpt = "./LoadPretrainedModel/resnet50_224_new.ckpt"
    return _resnet(resnet50_url, ResidualBlock, [3, 4, 6, 3], num_classes,
                   pretrained, resnet50_ckpt, 2048)

固定特征进行训练

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        首先，使用预训练的 resnet50 模型，并对其进行了一些修改。将全连接层 fc 重置为输出通道数为 2 的新全连接层，将平均池化层 avg_pool 重置为 kernel_size=7 的新平均池化层。然后冻结除最后一层（新的全连接层）外的所有参数，使其在训练中不更新。

        接着，定义了优化器 opt 和损失函数 loss_fn 。

        然后，通过 ms.value_and_grad 计算损失函数关于可训练参数的梯度。

        定义了 train_step 函数，用于执行一步训练，包括计算损失和应用优化器更新参数。

        最后，实例化了一个 train.Model 对象 model1 ，用于模型的训练和评估。

        代码如下：

import mindspore as ms
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import time

net_work = resnet50(pretrained=True)

# 全连接层输入层的大小
in_channels = net_work.fc.in_channels
# 输出通道数大小为狼狗分类数2
head = nn.Dense(in_channels, 2)
# 重置全连接层
net_work.fc = head

# 平均池化层kernel size为7
avg_pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=7)
# 重置平均池化层
net_work.avg_pool = avg_pool

# 冻结除最后一层外的所有参数
for param in net_work.get_parameters():
    if param.name not in ["fc.weight", "fc.bias"]:
        param.requires_grad = False

# 定义优化器和损失函数
opt = nn.Momentum(params=net_work.trainable_params(), learning_rate=lr, momentum=0.5)
loss_fn = nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction='mean')


def forward_fn(inputs, targets):
    logits = net_work(inputs)
    loss = loss_fn(logits, targets)

    return loss

grad_fn = ms.value_and_grad(forward_fn, None, opt.parameters)

def train_step(inputs, targets):
    loss, grads = grad_fn(inputs, targets)
    opt(grads)
    return loss

# 实例化模型
model1 = train.Model(net_work, loss_fn, opt, metrics={"Accuracy": train.Accuracy()})

        运行结果：

训练和评估

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        实现模型的训练和验证过程，并在训练过程中保存最优模型的检查点。

        首先，获取了训练集和验证集的数据，并计算了它们的批量数量，创建了迭代器。

        然后，设定了训练的轮数 num_epochs ，定义了保存最优检查点的目录和路径。

在训练循环中，每一轮都进行以下操作：

        将模型设置为训练模式。

        记录训练过程中的损失值。

        在每一轮结束后，在验证集上评估模型的准确率。

        计算并打印每一轮的训练时间和每步的平均时间。

        如果当前轮的准确率高于之前的最优准确率，就保存当前模型的参数为最优检查点。

        最后，打印出验证结束后的最优准确率和保存最优检查点的路径。

        代码如下：

import mindspore as ms
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import time
dataset_train = create_dataset_canidae(data_path_train, "train")
step_size_train = dataset_train.get_dataset_size()

dataset_val = create_dataset_canidae(data_path_val, "val")
step_size_val = dataset_val.get_dataset_size()

num_epochs = 5

# 创建迭代器
data_loader_train = dataset_train.create_tuple_iterator(num_epochs=num_epochs)
data_loader_val = dataset_val.create_tuple_iterator(num_epochs=num_epochs)
best_ckpt_dir = "./BestCheckpoint"
best_ckpt_path = "./BestCheckpoint/resnet50-best-freezing-param.ckpt"
import mindspore as ms
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import time
# 开始循环训练
print("Start Training Loop ...")

best_acc = 0

for epoch in range(num_epochs):
    losses = []
    net_work.set_train()

    epoch_start = time.time()

    # 为每轮训练读入数据
    for i, (images, labels) in enumerate(data_loader_train):
        labels = labels.astype(ms.int32)
        loss = train_step(images, labels)
        losses.append(loss)

    # 每个epoch结束后，验证准确率

    acc = model1.eval(dataset_val)['Accuracy']

    epoch_end = time.time()
    epoch_seconds = (epoch_end - epoch_start) * 1000
    step_seconds = epoch_seconds/step_size_train

    print("-" * 20)
    print("Epoch: [%3d/%3d], Average Train Loss: [%5.3f], Accuracy: [%5.3f]" % (
        epoch+1, num_epochs, sum(losses)/len(losses), acc
    ))
    print("epoch time: %5.3f ms, per step time: %5.3f ms" % (
        epoch_seconds, step_seconds
    ))

    if acc > best_acc:
        best_acc = acc
        if not os.path.exists(best_ckpt_dir):
            os.mkdir(best_ckpt_dir)
        ms.save_checkpoint(net_work, best_ckpt_path)

print("=" * 80)
print(f"End of validation the best Accuracy is: {best_acc: 5.3f}, "
      f"save the best ckpt file in {best_ckpt_path}", flush=True)

        运行结果：

可视化模型预测

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        定义了一个名为 visualize_model 的函数，用于可视化模型在验证集上的预测结果。

        函数内部首先构建了一个 resnet50 模型，并对其全连接层和平均池化层进行了修改。然后加载了最优模型的参数。

        接着，从验证集中获取了一批数据，包括图像和标签。使用训练好的模型对这批图像进行预测，并获取预测结果。

        之后，通过绘制图像来展示预测结果。对于每幅图像，如果预测正确，标题显示为蓝色；如果预测错误，标题显示为红色。同时展示了经过处理后的图像，并关闭了坐标轴。

        最后，调用 visualize_model 函数并传入最优检查点路径和验证集 dataset_val 来执行可视化操作。

        代码如下：

import matplotlib.pyplot as plt
import mindspore as ms

def visualize_model(best_ckpt_path, val_ds):
    net = resnet50()
    # 全连接层输入层的大小
    in_channels = net.fc.in_channels
    # 输出通道数大小为狼狗分类数2
    head = nn.Dense(in_channels, 2)
    # 重置全连接层
    net.fc = head
    # 平均池化层kernel size为7
    avg_pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=7)
    # 重置平均池化层
    net.avg_pool = avg_pool
    # 加载模型参数
    param_dict = ms.load_checkpoint(best_ckpt_path)
    ms.load_param_into_net(net, param_dict)
    model = train.Model(net)
    # 加载验证集的数据进行验证
    data = next(val_ds.create_dict_iterator())
    images = data["image"].asnumpy()
    labels = data["label"].asnumpy()
    class_name = {0: "dogs", 1: "wolves"}
    # 预测图像类别
    output = model.predict(ms.Tensor(data['image']))
    pred = np.argmax(output.asnumpy(), axis=1)

    # 显示图像及图像的预测值
    plt.figure(figsize=(5, 5))
    for i in range(4):
        plt.subplot(2, 2, i + 1)
        # 若预测正确，显示为蓝色；若预测错误，显示为红色
        color = 'blue' if pred[i] == labels[i] else 'red'
        plt.title('predict:{}'.format(class_name[pred[i]]), color=color)
        picture_show = np.transpose(images[i], (1, 2, 0))
        mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
        std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
        picture_show = std * picture_show + mean
        picture_show = np.clip(picture_show, 0, 1)
        plt.imshow(picture_show)
        plt.axis('off')

    plt.show()
visualize_model(best_ckpt_path, dataset_val)

        运行结果：

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