Kaggle猫狗大战——基于Pytorch的CNN网络分类：数据获取、预处理、载入（1）

第一次写CSDN博客，之前一直是靠着CSDN学学代码，这次不得不亲自上场了，就想着将学习的过程都记录下来。新人分享，可能菜了点，还请大家多多包涵。这次的目标是构建一个Kaggle猫狗大战的CNN识别网络，内容有点多，就分了几步讲。第一章就先讲讲一些准备工作，包括数据获取、程序的框架、预处理这些。

数据获取

首先你需要获得猫狗的数据，建议去Kaggle官网上下，缺点就是Kaggle官网上的train包里猫狗的标签是分开的，但是test包里是未区分的，不太方便验证，所以对train包进行拆分，选择23000张图片作为train包，2000张图片作为valid包，猫狗比例相等。新的train包和valid包的链接如下：
链接：https://pan.baidu.com/s/1c69WjBvh97PSU4hC4hFolg
提取码：lp34

程序框架

话不多说，上图（软件是Pycharm，语言是Python3.7，深度学习平台是Pytorch，话说这装也是真不好装，不过网上教程很多）：

data是数据预处理和打包的程序，main是数据训练的主程序，models是自己写的CNN网络存放的程序，predict是模型训练好之后用来实验的程序。train包和valid包里面都把猫和狗分开存放，之后处理起来会方便很多。acc.png是保存下来的准确率曲线，best_model.pt是保存下来的测试效果最好的网络。

数据预处理

（整体的代码在最后）

load_data函数中比较重要的就是数据预处理，因为输入的图片是尺寸不一的，需要将其调整到同一尺寸。这里是新建了一个data_transforms函数，分为‘train’和‘valid’两种处理流程。

简单预处理的话，data_transforms[‘train’]三行足以：
（1）将图片随机裁剪再resize成固定尺寸（我设的是224，这个跟之后神经网络的全连接层参数有关，一般常用就是224和200）；
（2）将灰度范围从0-255变换到0-1之间；
（3）把灰度范围从0-1变换到[X1,X2]之间（这是对整个数据集的灰度分布进行统计后得到的灰度的上下限，这样一来就是能使灰度分布更均匀，差异更大）。

transforms.RandomResizedCrop(input_size, scale=(0.7, 1)),  # 图像进行随机裁剪后再resize成固定大小
transforms.ToTensor(),  # 把灰度范围从0-255变换到0-1之间
transforms.Normalize([0.4864, 0.4533, 0.4154], [0.2625, 0.2558, 0.2586])  # 把灰度范围从0-1变换到[X1,X2]之间

其中，data_transforms[‘train’]里面也可以添加一些数据增广的手段，用来提高训练集的泛化能力，比如水平/垂直翻转，旋转， 缩放，裁剪，剪切，平移，改变对比度，色彩抖动，添加噪声等。

具体调用的函数如下：

【1】随机比例缩放（按比例缩放）
torchvision.transforms.Resize()函数，函数有两个参数，第一个参数为缩放大小，如果为一个值则会按比例缩放，否则按传入的值缩放；第二个参数表示缩放图片使用的方法，默认的是双线性差值。

【2】随机位置截取
随机位置截取能够提取图片中的局部信息，使得网络接受的输入具有多尺度的特征。
在torchvision中主要有以下两种方式，一个是torchvision.transforms.RandomCrop()，传入的参数是截取出图片的长和宽，在图片的随机位置进行截取；第二个是torchvision.transforms.CenterCrop()，同样传入图片的长和宽，会在图片的中心进行截取。

【3】随机水平翻转和竖直翻转
torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip()函数和torchvision.transforms.RandomVerticalFlip()函数，不需要参数。

【4】随机角度旋转
torchvision.transforms.RandomRotation()函数，传入的参数是角度，若不传入参数，则随机旋转。

【5】亮度、对比度和颜色变化
torchvision.transforms.ColorJitter()函数有四个参数。
第一个参数为brightness：如果brights<1，会变暗；如果>1,会更亮一些；
第二个参数为contrast：当对比度降低，会发灰。如果对比度升高，白色的地方会更白，灰色的地方会更灰，其值取0-1；
第三个参数为saturation：饱和度降低，图像更暗淡。饱和度升高，图像更鲜艳，其值取0-1
第四个参数为hue：改变底色（偏紫偏红），其值取0-0.5。

【6】概率转换为灰度图
RandomGrayscale()函数是依据一定的概率将图片转换成灰度图。Grayscale是RandomGrayscale的一个特例，也就是概率等于1的RandomGrayscale。

【7】仿射变换
仿射变换是二维的线性变换，由五种基本原子变换构成，分别是旋转、平移、缩放、错切（切成平行四边形）和翻转。

【8】随机遮挡
RandomErasing()函数，第一个参数为p，执行该操作的概率；第二个参数为scale，遮挡区域的面积；第三个参数为ratio，遮挡区域长宽比；第四个参数为value，遮挡区域的像素值；第五个参数inplace，是否执行原位操作。

需要注意的是，随机遮挡接受的是Tensor，它是在一个张量上进行操作。所以在之前要执行一个ToTensor()。后面的ToTensor()和Normalize可以不要。

【9】随机选取上述方法进行处理
（1）transforms.RandomChoice()：在一系列方法中随机挑选一个。
（2）transforms.RandomApply()：每次依概率执行还是不执行，执行就执行一组。
（3）transforms.RandomOrder()：打乱顺序再执行。

比如我这里，就设计了四种变换（水平翻转、竖直翻转、对比度变化+颜色变化、错切+平移），然后每张图片按随机顺序进行这四种处理。

但是！！！要注意的是，数据增广不要弄得太离谱，理论上，数据增广会提高模型的准确率，但是会降低训练收敛速度。

transforms1 = transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5)
    transforms2 = transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5)
    transforms3 = transforms.ColorJitter(contrast=0.5,hue=0.4)
    transforms4 = transforms.RandomAffine(0,translate=(0.2,0.2),shear=(20,20))

    data_transforms = {
        'train': transforms.Compose([
            ## your code here
            # transforms.RandomOrder([transforms1,transforms2,transforms3,transforms4]),
            transforms.RandomResizedCrop(input_size, scale=(0.7, 1)),  # 图像进行随机裁剪后再resize成固定大小
            transforms.ToTensor(),  # 把灰度范围从0-255变换到0-1之间
            transforms.Normalize([0.4864, 0.4533, 0.4154], [0.2625, 0.2558, 0.2586])  # 把灰度范围从0-1变换到[X1,X2]之间

        ]),
        'valid': transforms.Compose([
            transforms.Resize(input_size),  # 图像短边长度变为input_size
            transforms.CenterCrop(input_size),  # 从正中间剪正方形
            transforms.ToTensor(),
            transforms.Normalize([0.4864, 0.4533, 0.4154], [0.2625, 0.2558, 0.2586])
        ]),
    }

data_transforms[‘valid’]则要简单不少，主要就是缩放然后裁剪，调整灰度分布即可。

transforms.Resize(input_size),  # 图像短边长度变为input_size
transforms.CenterCrop(input_size),  # 从正中间剪正方形
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize([0.4864, 0.4533, 0.4154], [0.2625, 0.2558, 0.2586])

数据载入

网上的做法一般是新建一个DogCatDataSet的新数据集类，需要继承Pytorch中的data.Dataset父类。其实不新建数据集类，直接用Pytorch的父类也可以。使用torchvision.datasets.ImageFolder()函数：

image_dataset_train = datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, 'train'), data_transforms['train'])
image_dataset_valid = datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, 'valid'), data_transforms['valid'])

ImageFolder()函数的作用是：假设所有的文件按文件夹保存，每个文件夹下存储同一个类别的图片，文件夹名为类名，其构造函数如下：

ImageFolder(root, transform=None, target_transform=None, loader=default_loader)

它主要有四个参数：
root：在root指定的路径下寻找图片
transform：对PIL Image进行的转换操作，transform的输入是使用loader读取图片的返回对象
target_transform：对label的转换
loader：给定路径后如何读取图片，默认读取为RGB格式的PIL Image对象
label是按照文件夹名顺序排序后存成字典，即{类名:类序号(从0开始)}，一般来说最好直接将文件夹命名为从0开始的数字，这样会和ImageFolder实际的label一致，如果不是这种命名规范，建议看看self.class_to_idx属性以了解label和文件夹名的映射关系。

然后是数据打包，我不太清楚该如何称呼这一步，按我的理解，这一步就是将训练集（或测试集）中的数据按batch_size打成数据包，传给神经网络（如果你用的是GPU，那就是CPU将数据打成一个个数据包，传给GPU进行计算）。

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(image_dataset_train, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=8)
# DataLoader将自定义的Dataset根据batch size大小、是否shuffle等封装成一个又一个batch大小的Tensor，数据给模型进行训练测试
valid_loader = torch.utils.data.DataLoader(image_dataset_valid, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=8)

利用DataLoader函数，按指定的batch_size、是否shuffle、并行线路数、是否pin_memory来将数据打成包。其中一些参数的意义如下：
（1）batch_size：一个数据包里的数据个数，理解就是多少张图片，batch_size越小，数据包越小，需要传递的次数也就越多，训练速度也就越慢（因为每次epoch都是要训练所有图片一次才完成，GPU训练一批数据是很快的，但是CPU向GPU传数据很慢）；
（2）shuffle：随机处理，表示将数据顺序打乱，对训练集需要进行这一步处理（不然数据就是连续一堆猫，然后连续一堆狗），测试集可做可不做；
（3）num_workers：同时进行数据包传递的并行线路个数，一般看你的CPU是多少核的，num_workers越多，传递越快（理论上，但是不建议设太多，一般和CPU数相同，或取一半）；
（4）pin_memory：是否将数据先传给缓存、再传给GPU，如果电脑性能好，建议=true，可以节省一些数据传递的时间。

data.py

提示：单个程序无法运行，需要去我另外两个博客（本系列的2、3）里，把main.py和models.py两个程序都摘下来，然后运行main.py，才能训练神经网络。

/*data.py*/
import torchvision
from torchvision import datasets, transforms
import torch.utils.data
import os, random, glob
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
import numpy as np

## Note that: here we provide a basic solution for loading data and transforming data.
## You can directly change it if you find something wrong or not good enough.

## the mean and standard variance of imagenet dataset
## mean_vals = [0.4864, 0.4533, 0.4154]
## std_vals = [0.2625, 0.2558, 0.2586]



class DogCatDataSet(torch.utils.data.Dataset):                    # 新建一个数据集类,并且需要继承PyTorch中的data.Dataset父类
    def __init__(self, img_dir, transform=None):                  # 默认构造函数,传入数据集类别(训练或测试),以及数据集路径
        self.transform = transform                                # 转换关系

        dog_dir = os.path.join(img_dir, "dog")                    # “狗”文件夹的路径
        cat_dir = os.path.join(img_dir, "cat")
        imgsLib = []
        imgsLib.extend(glob.glob(os.path.join(dog_dir, "*.jpg"))) # glob()函数,对某一元素进行匹配;extend()函数,将可迭代的元素添加到列表中
        imgsLib.extend(glob.glob(os.path.join(cat_dir, "*.jpg")))
        random.shuffle(imgsLib)                                   # 打乱数据集
        self.imgsLib = imgsLib

    # 作为迭代器必须要有的
    def __getitem__(self, index):
        img_path = self.imgsLib[index]

        label = 1 if 'dog' in img_path.split('/')[-1] else 0      # 狗的label设为1，猫的设为0

        img = Image.open(img_path).convert("RGB")
        img = self.transform(img)
        return img, label

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


def load_data(data_dir="./data/", input_size=224, batch_size=36):

    data_transforms = {
        'train': transforms.Compose([
            ## your code here
            transforms.RandomResizedCrop(input_size, scale=(0.7, 1)),  # 图像进行随机裁剪后再resize成固定大小
            transforms.ToTensor(),  # 把灰度范围从0-255变换到0-1之间
            transforms.Normalize([0.4864, 0.4533, 0.4154], [0.2625, 0.2558, 0.2586])  # 把灰度范围从0-1变换到[X1,X2]之间

        ]),
        'valid': transforms.Compose([
            transforms.Resize(input_size),  # 图像短边长度变为input_size
            transforms.CenterCrop(input_size),  # 从正中间剪正方形
            transforms.ToTensor(),
            transforms.Normalize([0.4864, 0.4533, 0.4154], [0.2625, 0.2558, 0.2586])
        ]),
    }

    image_dataset_train = DogCatDataSet(os.path.join(data_dir, 'train'),data_transforms['train'])
    image_dataset_valid = DogCatDataSet(os.path.join(data_dir, 'valid'), data_transforms['valid'])

    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(image_dataset_train, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=8, pin_memory=True)
    # DataLoader将自定义的Dataset根据batch size大小、是否shuffle等封装成一个又一个batch大小的Tensor，数据给模型进行训练测试
    valid_loader = torch.utils.data.DataLoader(image_dataset_valid, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=8, pin_memory=True)

    return train_loader, valid_loader

最后

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