【Week-P7】VGG16识别咖啡豆

• 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
• 🍖 原作者：K同学啊 | 接辅导、项目定制

（1）本次学习分两次执行，第一次是优化器为Adam时，使用Jupyter Notebook运行；第二次修改优化器为SGD，使用VSCode运行，需要注意一点，VSCode遇到PIPEERROR时需要修改DataLoader中的num_workers=0，参考这里；

（2）本次学习在jupyter运行时，需要安装torchsummary，因为时第一次用到，之前也没有安装过，后续在VSCode里运行，不需要重复安装；

（3）Adam优化器训练后，Test_Acc=100%。而SGD优化器训练后，Test_Acc始终为22.1%。
（4）用VSCode训练的速度比Jupyter NoteBook快超级多，Jupyter大概需要一整天，而且还会显得电脑卡，用VSCode大概4~5小时可以完成，VSCode的效率高太多。

一、环境配置

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision
from torchvision import transforms, datasets
import os,PIL,pathlib,warnings

warnings.filterwarnings("ignore")             #忽略警告信息

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
device

二、准备数据

2.1 打印classeNames列表，显示每个文件所属的类别名称
2.2 打印归一化后的类别名称，0或1
2.3 划分数据集，划分为训练集&测试集，torch.utils.data.DataLoader()参数详解
2.4 检查数据集的shape

import os,PIL,random,pathlib

data_dir = 'D:/jupyter notebook/DL-100-days/datasets/coffebeans-data/'
data_dir = pathlib.Path(data_dir)

data_paths  = list(data_dir.glob('*'))
classeNames = [str(path).split("\\")[5] for path in data_paths]
print("classeNames: ", classeNames)

# 关于transforms.Compose的更多介绍可以参考：https://blog.youkuaiyun.com/qq_38251616/article/details/124878863
train_transforms = transforms.Compose([
    transforms.Resize([224, 224]),  # 将输入图片resize成统一尺寸
    # transforms.RandomHorizontalFlip(), # 随机水平翻转
    transforms.ToTensor(),          # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor，并归一化到[0,1]之间
    transforms.Normalize(           # 标准化处理-->转换为标准正太分布（高斯分布），使模型更容易收敛
        mean=[0.485, 0.456, 0.406], 
        std=[0.229, 0.224, 0.225])  # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。
])

test_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize([224, 224]),  # 将输入图片resize成统一尺寸
    transforms.ToTensor(),          # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor，并归一化到[0,1]之间
    transforms.Normalize(           # 标准化处理-->转换为标准正太分布（高斯分布），使模型更容易收敛
        mean=[0.485, 0.456, 0.406], 
        std=[0.229, 0.224, 0.225])  # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。
])

total_data = datasets.ImageFolder("D:/jupyter notebook/DL-100-days/datasets/coffebeans-data/",transform=train_transforms)
print("total_data: ",total_data)

total_data.class_to_idx

train_size = int(0.8 * len(total_data))
test_size  = len(total_data) - train_size
train_dataset, test_dataset = torch.utils.data.random_split(total_data, [train_size, test_size])
print("train_dataset: ", train_dataset)
print("test_dataset: ", test_dataset)

batch_size = 32

train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,
                                           batch_size=batch_size,
                                           shuffle=True,
                                           num_workers=1)
test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset,
                                          batch_size=batch_size,
                                          shuffle=True,
                                          num_workers=1)

三、搭建网络结构 VGG16

import torch.nn.functional as F

class vgg16(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(vgg16, self).__init__()
        # 卷积块1
        self.block1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
        )
        # 卷积块2
        self.block2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
        )
        # 卷积块3
        self.block3 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
        )
        # 卷积块4
        self.block4 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
        )
        # 卷积块5
        self.block5 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
        )
        
        # 全连接网络层，用于分类
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(in_features=512*7*7, out_features=4096),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(in_features=4096, out_features=4096),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(in_features=4096, out_features=4)
        )

    def forward(self, x):

        x = self.block1(x)
        x = self.block2(x)
        x = self.block3(x)
        x = self.block4(x)
        x = self.block5(x)
        x = torch.flatten(x, start_dim=1)
        x = self.classifier(x)

        return x

device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print("Using {} device".format(device))
    
model = vgg16().to(device)
model

# 统计模型参数量以及其他指标
import torchsummary as summary
summary.summary(model, (3, 224, 224))

四、开始训练

4.1 设置超参数
4.2 编写训练函数
4.3 编写测试函数
4.4 开始正式训练，epochs==40

# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)  # 训练集的大小
    num_batches = len(dataloader)   # 批次数目, (size/batch_size，向上取整)

    train_loss, train_acc = 0, 0  # 初始化训练损失和正确率
    
    for X, y in dataloader:  # 获取图片及其标签
        X, y = X.to(device), y.to(device)
        
        # 计算预测误差
        pred = model(X)          # 网络输出
        loss = loss_fn(pred, y)  # 计算网络输出和真实值之间的差距，targets为真实值，计算二者差值即为损失
        
        # 反向传播
        optimizer.zero_grad()  # grad属性归零
        loss.backward()        # 反向传播
        optimizer.step()       # 每一步自动更新
        
        # 记录acc与loss
        train_acc  += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
        train_loss += loss.item()
            
    train_acc  /= size
    train_loss /= num_batches

    return train_acc, train_loss

def test (dataloader, model, loss_fn):
    size        = len(dataloader.dataset)  # 测试集的大小
    num_batches = len(dataloader)          # 批次数目, (size/batch_size，向上取整)
    test_loss, test_acc = 0, 0
    
    # 当不进行训练时，停止梯度更新，节省计算内存消耗
    with torch.no_grad():
        for imgs, target in dataloader:
            imgs, target = imgs.to(device), target.to(device)
            
            # 计算loss
            target_pred = model(imgs)
            loss        = loss_fn(target_pred, target)
            
            test_loss += loss.item()
            test_acc  += (target_pred.argmax(1) == target).type(torch.float).sum().item()

    test_acc  /= size
    test_loss /= num_batches

    return test_acc, test_loss

'''
如果将优化器换成 SGD 会发生什么呢？请自行探索接下来发生的诡异事件的原因。
--> 稍后会在VSCode里面实现，Jupyter 实在是太太太太太慢了。。。。。
'''
import copy

optimizer  = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr= 1e-4)
loss_fn    = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数

epochs     = 40

train_loss = []
train_acc  = []
test_loss  = []
test_acc   = []

best_acc = 0    # 设置一个最佳准确率，作为最佳模型的判别指标

for epoch in range(epochs):
    
    model.train()
    epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, optimizer)
    
    model.eval()
    epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)
    
    # 保存最佳模型到 best_model
    if epoch_test_acc > best_acc:
        best_acc   = epoch_test_acc
        best_model = copy.deepcopy(model)
    
    train_acc.append(epoch_train_acc)
    train_loss.append(epoch_train_loss)
    test_acc.append(epoch_test_acc)
    test_loss.append(epoch_test_loss)
    
    # 获取当前的学习率
    lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']
    
    template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%, Test_loss:{:.3f}, Lr:{:.2E}')
    print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, 
                          epoch_test_acc*100, epoch_test_loss, lr))
    
# 保存最佳模型到文件中
PATH = './best_model.pth'  # 保存的参数文件名
torch.save(model.state_dict(), PATH)

print('Done')

最终训练结果是：Test_acc=100%（记得之前有个老师说，准确率不可能完全到达100%，只会无限趋近100%，所以不知道这里的100%准确率会不会有问题。）

五、查看训练结果

5.1 绘制Accurac_Loss图
5.2 指定图片进行预测

import matplotlib.pyplot as plt
#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")               #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif']    = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False      # 用来正常显示负号
plt.rcParams['figure.dpi']         = 100        #分辨率

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

from PIL import Image 

classes = list(total_data.class_to_idx)

def predict_one_image(image_path, model, transform, classes):
    
    test_img = Image.open(image_path).convert('RGB')
    plt.imshow(test_img)  # 展示预测的图片

    test_img = transform(test_img)
    img = test_img.to(device).unsqueeze(0)
    
    model.eval()
    output = model(img)

    _,pred = torch.max(output,1)
    pred_class = classes[pred]
    print(f'预测结果是：{pred_class}')
    
# 预测训练集中的某张照片
predict_one_image(image_path='D:/jupyter notebook/DL-100-days/datasets/coffebeans-data/Dark/dark (1).png', 
                  model=model, 
                  transform=train_transforms, 
                  classes=classes)

六、改变优化器，VSCode运行

使用VSCode运行，需要修改/增加以下几个地方：

• （1）安装pytorch相关库：
  
• （2）遇到PIPEERROR，修改DataLoader()中的num_workers的值：
  
  训练结果如下：
  
  已经训练了14个epoch，Train_acc、Train_loss、Test_acc、Test_loss、Lr等的值始终没发生变化，始终是22.1%，所以我暂停训练了。

Q：为什么SGD优化器会导致这样的现象？
参考这里
仔细分析两种优化器的优化原理，Adam对设置的初始学习率不敏感，可以在很广泛的区间内优化到一个较好的参数，SGD在很小的区间内可以得到很好的参数，如果范围太大，可能会得到一个当前区间内的最优解，但是对于全局来说却不是最优解。（猜测可能是这个原因。）