作者|PULKIT SHARMA
編譯|Flin
來源|analyticsvidhya
介紹
影像分類是計算機視覺的最重要應用之一，它的應用范圍包括從自動駕駛汽車中的物體分類到醫療行業中的血細胞識別，從制造業中的缺陷物品識別到建立可以對戴口罩與否的人進行分類的系統，在所有這些行業中，影像分類都以一種或另一種方式使用，他們是如何做到的呢？他們使用哪個框架？
你必須已閱讀很多有關不同深度學習框架（包括TensorFlow，PyTorch，Keras等）之間差異的資訊，TensorFlow和PyTorch無疑是業內最受歡迎的框架，我相信你會發現無窮的資源來學習這些深度學習框架之間的異同，
這是為你提供的一份資源：每個資料科學家都必須知道的5種驚人的深度學習框架！
- https://www.analyticsvidhya.com/blog/2019/03/deep-learning-frameworks-comparison
在本文中，我們將了解如何在PyTorch和TensorFlow中建立基本的影像分類模型，我們將從PyTorch和TensorFlow的簡要概述開始，然后，我們將使用MNIST手寫數字分類資料集，并在PyTorch和TensorFlow中使用CNN（卷積神經網路）建立影像分類模型，
這將是你的起點，然后你可以選擇自己喜歡的任何框架，也可以開始構建其他計算機視覺模型，
如果你不熟悉深度學習而且對計算機視覺領域很感興趣（誰不是呢），請查看“認證計算機視覺碩士課程 ”，
- https://courses.analyticsvidhya.com/bundles/certified-computer-vision-masters-program
目錄
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PyTorch概述
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TensorFlow概述
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了解問題陳述：MNIST
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在PyTorch中實作卷積神經網路（CNN）
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在TensorFlow中實施卷積神經網路（CNN）
PyTorch概述
PyTorch在深度學習社區中越來越受歡迎，并且被深度學習從業者廣泛使用，PyTorch是一個提供Tensor計算的Python軟體包，此外，tensors是多維陣列，就像NumPy的ndarrays也可以在GPU上運行一樣，
PyTorch的一個獨特功能是它使用動態計算圖，PyTorch的Autograd軟體包從張量生成計算圖并自動計算梯度，而不是具有特定功能的預定義圖形，
PyTorch為我們提供了一個框架，可以隨時隨地構建計算圖，甚至在運行時進行更改，特別是，對于我們不知道創建神經網路需要多少記憶體的情況，這很有用，
你可以使用PyTorch應對各種深度學習挑戰，以下是一些挑戰：
- 影像（檢測，分類等）
- 文字（分類，生成等）
- 強化學習
如果你希望從頭開始了解PyTorch，則以下是一些詳細資源：
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PyTorch入門指南
- https://www.analyticsvidhya.com/blog/2019/09/introduction-to-pytorch-from-scratch
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在PyTorch中使用卷積神經網路建立影像分類模型
- https://www.analyticsvidhya.com/blog/2019/10/building-image-classification-models-cnn-pytorch
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所有人的深度學習：使用PyTorch掌握強大的遷移學習藝術
- https://www.analyticsvidhya.com/blog/2019/10/how-to-master-transfer-learning-using-pytorch
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使用PyTorch進行深度學習的影像增強–影像特征工程
- https://www.analyticsvidhya.com/blog/2019/12/image-augmentation-deep-learning-pytorch
TensorFlow概述
TensorFlow由Google Brain團隊的研究人員和工程師開發，它與深度學習領域最常用的軟體庫相距甚遠（盡管其他軟體庫正在迅速追趕），
TensorFlow如此受歡迎的最大原因之一是它支持多種語言來創建深度學習模型，例如Python，C ++和R，它提供了詳細的檔案和指南的指導，
TensorFlow包含許多組件，以下是兩個杰出的代表：
- TensorBoard：使用資料流圖幫助有效地可視化資料
- TensorFlow：對于快速部署新演算法/實驗非常有用
TensorFlow當前正在運行2.0版本，該版本于2019年9月正式發布，我們還將在2.0版本中實作CNN，
如果你想了解有關此新版本的TensorFlow的更多資訊，請查看TensorFlow 2.0深度學習教程
- https://www.analyticsvidhya.com/blog/2020/03/tensorflow-2-tutorial-deep-learning
我希望你現在對PyTorch和TensorFlow都有基本的了解，現在，讓我們嘗試使用這兩個框架構建深度學習模型并了解其內部作業，在此之前，讓我們首先了解我們將在本文中解決的問題陳述，
了解問題陳述：MNIST
在開始之前，讓我們了解資料集，在本文中，我們將解決流行的MNIST問題，這是一個數字識別任務，其中我們必須將手寫數字的影像分類為0到9這10個類別之一，
在MNIST資料集中，我們具有從各種掃描的檔案中獲取的數字影像，尺寸經過標準化并居中，隨后，每個影像都是28 x 28像素的正方形（總計784像素），資料集的標準拆分用于評估和比較模型，其中60,000張影像用于訓練模型，而單獨的10,000張影像集用于測驗模型，
現在，我們也了解了資料集，因此，讓我們在PyTorch和TensorFlow中使用CNN構建影像分類模型，我們將從PyTorch中的實作開始，我們將在google colab中實作這些模型，該模型提供免費的GPU以運行這些深度學習模型，
我希望你熟悉卷積神經網路（CNN），如果沒有，請隨時參考以下文章：
- 從頭開始學習卷積神經網路的綜合教程:https://www.analyticsvidhya.com/blog/2018/12/guide-convolutional-neural-network-cnn
在PyTorch中實作卷積神經網路（CNN）
讓我們首先匯入所有庫：
# importing the libraries
import numpy as np
import torch
import torchvision
import matplotlib.pyplot as plt
from time import time
from torchvision import datasets, transforms
from torch import nn, optim
我們還要在Google colab上檢查PyTorch的版本：
# version of pytorch
print(torch.__version__)
因此，我正在使用1.5.1版本的PyTorch，如果使用任何其他版本，則可能會收到一些警告或錯誤，因此你可以更新到此版本的PyTorch，我們將對影像執行一些轉換，例如對像素值進行歸一化，因此，讓我們也定義這些轉換：
# transformations to be applied on images
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)),
])
現在，讓我們加載MNIST資料集的訓練和測驗集：
# defining the training and testing set
trainset = datasets.MNIST('./data', download=True, train=True, transform=transform)
testset = datasets.MNIST('./', download=True, train=False, transform=transform)
接下來，我定義了訓練和測驗加載器，這將幫助我們分批加載訓練和測驗集，我將批量大小定義為64：
# defining trainloader and testloader
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=64, shuffle=True)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=64, shuffle=True)
首先讓我們看一下訓練集的摘要：
# shape of training data
dataiter = iter(trainloader)
images, labels = dataiter.next()
print(images.shape)
print(labels.shape)
因此，在每個批次中，我們有64個影像，每個影像的大小為28,28，并且對于每個影像，我們都有一個相應的標簽，讓我們可視化訓練影像并查看其外觀：
# visualizing the training images
plt.imshow(images[0].numpy().squeeze(), cmap='gray')
它是數字0的影像，類似地，讓我們可視化測驗集影像：
# shape of validation data
dataiter = iter(testloader)
images, labels = dataiter.next()
print(images.shape)
print(labels.shape)
在測驗集中，我們也有大小為64的批次，現在讓我們定義架構
定義模型架構
我們將在這里使用CNN模型，因此，讓我們定義并訓練該模型：
# defining the model architecture
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.cnn_layers = nn.Sequential(
# Defining a 2D convolution layer
nn.Conv2d(1, 4, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
nn.BatchNorm2d(4),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
# Defining another 2D convolution layer
nn.Conv2d(4, 4, kernel_size=3, stride=1, padding=1),
nn.BatchNorm2d(4),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
)
self.linear_layers = nn.Sequential(
nn.Linear(4 * 7 * 7, 10)
)
# Defining the forward pass
def forward(self, x):
x = self.cnn_layers(x)
x = x.view(x.size(0), -1)
x = self.linear_layers(x)
return x
我們還定義優化器和損失函式，然后我們將看一下該模型的摘要：
# defining the model
model = Net()
# defining the optimizer
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01)
# defining the loss function
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# checking if GPU is available
if torch.cuda.is_available():
model = model.cuda()
criterion = criterion.cuda()
print(model)
因此，我們有2個卷積層，這將有助于從影像中提取特征，這些卷積層的特征傳遞到完全連接的層，該層將影像分類為各自的類別，現在我們的模型架構已準備就緒，讓我們訓練此模型十個時期：
for i in range(10):
running_loss = 0
for images, labels in trainloader:
if torch.cuda.is_available():
images = images.cuda()
labels = labels.cuda()
# Training pass
optimizer.zero_grad()
output = model(images)
loss = criterion(output, labels)
#This is where the model learns by backpropagating
loss.backward()
#And optimizes its weights here
optimizer.step()
running_loss += loss.item()
else:
print("Epoch {} - Training loss: {}".format(i+1, running_loss/len(trainloader)))
你會看到訓練隨著時期的增加而減少，這意味著我們的模型是從訓練集中學習模式，讓我們在測驗集上檢查該模型的性能：
# getting predictions on test set and measuring the performance
correct_count, all_count = 0, 0
for images,labels in testloader:
for i in range(len(labels)):
if torch.cuda.is_available():
images = images.cuda()
labels = labels.cuda()
img = images[i].view(1, 1, 28, 28)
with torch.no_grad():
logps = model(img)
ps = torch.exp(logps)
probab = list(ps.cpu()[0])
pred_label = probab.index(max(probab))
true_label = labels.cpu()[i]
if(true_label == pred_label):
correct_count += 1
all_count += 1
print("Number Of Images Tested =", all_count)
print("\nModel Accuracy =", (correct_count/all_count))
因此，我們總共測驗了10000張圖片，并且該模型在預測測驗圖片的標簽方面的準確率約為96％，
這是你可以在PyTorch中構建卷積神經網路的方法，在下一節中，我們將研究如何在TensorFlow中實作相同的體系結構，
在TensorFlow中實施卷積神經網路（CNN）
現在，讓我們在TensorFlow中使用卷積神經網路解決相同的MNIST問題，與往常一樣，我們將從匯入庫開始：
# importing the libraries
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import datasets, layers, models
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
import matplotlib.pyplot as plt
檢查一下我們正在使用的TensorFlow的版本：
# version of tensorflow
print(tf.__version__)
因此，我們正在使用TensorFlow的2.2.0版本，現在讓我們使用tensorflow.keras的資料集類加載MNIST資料集：
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.mnist.load_data(path='mnist.npz')
# Normalize pixel values to be between 0 and 1
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0
在這里，我們已經加載了訓練以及MNIST資料集的測驗集，此外，我們已經將訓練和測驗影像的像素值標準化了，接下來，讓我們可視化來自資料集的一些影像：
# visualizing a few images
plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(9):
plt.subplot(3,3,i+1)
plt.xticks([])
plt.yticks([])
plt.grid(False)
plt.imshow(train_images[i], cmap='gray')
plt.show()
這就是我們的資料集的樣子，我們有手寫數字的影像，再來看一下訓練和測驗集的形狀：
# shape of the training and test set
(train_images.shape, train_labels.shape), (test_images.shape, test_labels.shape)
因此，我們在訓練集中有60,000張28乘28的影像，在測驗集中有10,000張相同形狀的影像，接下來，我們將調整影像的大小，并一鍵編碼目標變數：
# reshaping the images
train_images = train_images.reshape((60000, 28, 28, 1))
test_images = test_images.reshape((10000, 28, 28, 1))
# one hot encoding the target variable
train_labels = to_categorical(train_labels)
test_labels = to_categorical(test_labels)
定義模型體系結構
現在，我們將定義模型的體系結構，我們將使用Pytorch中定義的相同架構，因此，我們的模型將是具有2個卷積層，以及最大池化層的組合，然后我們將有一個Flatten層，最后是一個有10個神經元的全連接層，因為我們有10個類，
# defining the model architecture
model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(4, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=2))
model.add(layers.Conv2D(4, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=2))
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
讓我們快速看一下該模型的摘要：
# summary of the model
model.summary()
總而言之，我們有2個卷積層，2個最大池層，一個Flatten層和一個全連接層，模型中的引數總數為1198個，現在我們的模型已經準備好了，我們將編譯它：
# compiling the model
model.compile(optimizer='adam',
loss='categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
我們正在使用Adam優化器，你也可以對其進行更改，損失函式被設定為分類交叉熵，因為我們正在解決一個多類分類問題，并且度量標準是‘accuracy’，現在讓我們訓練模型10個時期
# training the model
history = model.fit(train_images, train_labels, epochs=10, validation_data=https://www.cnblogs.com/panchuangai/p/(test_images, test_labels))
總而言之，最初，訓練損失約為0.46，經過10個時期后，訓練損失降至0.08，10個時期后的訓練和驗證準確性分別為97.31％和97.48％，
因此，這就是我們可以在TensorFlow中訓練CNN的方式，
尾注
總而言之，在本文中，我們首先研究了PyTorch和TensorFlow的簡要概述，然后我們了解了MNIST手寫數字分類的挑戰，最后，在PyTorch和TensorFlow中使用CNN（卷積神經網路）建立了影像分類模型，現在，我希望你熟悉這兩個框架，下一步，應對另一個影像分類挑戰，并嘗試同時使用PyTorch和TensorFlow來解決，
下面是一些練習和影像分類方面的技巧
- 識別服裝（時尚MNIST）：https://datahack.analyticsvidhya.com/contest/practice-problem-identify-the-apparels
原文鏈接：https://www.analyticsvidhya.com/blog/2020/07/how-to-train-an-image-classification-model-in-pytorch-and-tensorflow/
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