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海外医疗手机网站建设,外链发布网站,新手怎么做网站推广,网络工作室适合做什么Pytorch从零开始实战——猴痘病识别 本系列来源于365天深度学习训练营 原作者K同学 文章目录 Pytorch从零开始实战——猴痘病识别环境准备数据集模型选择模型训练数据可视化其他模型图片预测 环境准备 本文基于Jupyter notebook,使用Python3.8,Pytor…

Pytorch从零开始实战——猴痘病识别

本系列来源于365天深度学习训练营

原作者K同学

文章目录

  • Pytorch从零开始实战——猴痘病识别
    • 环境准备
    • 数据集
    • 模型选择
    • 模型训练
    • 数据可视化
    • 其他模型
    • 图片预测

环境准备

本文基于Jupyter notebook,使用Python3.8,Pytorch2.0.1+cu118,torchvision0.15.2,需读者自行配置好环境且有一些深度学习理论基础。本次实验的目的是学习模型的保存和预测单张图片的结果。
第一步,导入常用包。

import torch
import torch.nn as nn
import matplotlib.pyplot as plt
import torchvision
import torch.nn.functional as F
import torchvision.transforms as transforms
import random
import time
import numpy as np
import pandas as pd
import datetime
import gc
import pathlib
import os
import PIL
os.environ['KMP_DUPLICATE_LIB_OK']='True'  # 用于避免jupyter环境突然关闭
torch.backends.cudnn.benchmark=True  # 用于加速GPU运算的代码

创建设备对象

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

设置随机数种子

torch.manual_seed(428)
torch.cuda.manual_seed(428)
torch.cuda.manual_seed_all(428)
random.seed(428)
np.random.seed(428)

数据集

本次实验使用猴痘病图片数据集,共2142张图片,分别为有猴痘病的图片和没有猴痘病的图片,
两种类别的图片分别存在两个文件夹中。

data_dir = './data/monkeydata'
data_dir = pathlib.Path(data_dir)data_paths = list(data_dir.glob('*'))
classNames = [str(path).split("/")[2] for path in data_paths]
classNames # ['Monkeypox', 'Others']

对数据通过dataset读取,并且将文件夹名设置为标签。

total_datadir = './data/monkeydata'
train_transforms = transforms.Compose([transforms.Resize([224, 224]),transforms.ToTensor(),transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],std=[0.229, 0.224, 0.225])
])
total_data = torchvision.datasets.ImageFolder(total_datadir, transform=train_transforms)
total_data

在这里插入图片描述
我们可以查看所有标签

total_data.class_to_idx # {'Monkeypox': 0, 'Others': 1}

接下来划分数据集,以8比2划分训练集和测试集

# 划分数据集
train_size = int(0.8 * len(total_data))
test_size = len(total_data) - train_size
train_ds, test_ds = torch.utils.data.random_split(total_data, [train_size, test_size])
len(train_ds), len(test_ds)

随机查看5张图片

def plotsample(data):fig, axs = plt.subplots(1, 5, figsize=(10, 10)) #建立子图for i in range(5):num = random.randint(0, len(data) - 1) #首先选取随机数,随机选取五次#抽取数据中对应的图像对象,make_grid函数可将任意格式的图像的通道数升为3,而不改变图像原始的数据#而展示图像用的imshow函数最常见的输入格式也是3通道npimg = torchvision.utils.make_grid(data[num][0]).numpy()nplabel = data[num][1] #提取标签 #将图像由(3, weight, height)转化为(weight, height, 3),并放入imshow函数中读取axs[i].imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0))) axs[i].set_title(nplabel) #给每个子图加上标签axs[i].axis("off") #消除每个子图的坐标轴plotsample(train_ds)

在这里插入图片描述
使用DataLoader划分批次和打乱数据集

batch_size = 32
train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_ds, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_ds, batch_size=batch_size, shuffle=True)
for X, y in test_dl:print(X.shape) # 32, 3, 224, 224print(y) # 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0....break
print(len(train_dl.dataset) + len(test_dl.dataset)) # 2142

模型选择

本次实验第一次选择的是一个简单的卷积神经网络,经过卷积+卷积+池化+卷积+卷积+池化+线性层,并中间进行数据归一化处理。

class Model(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(3, 12, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn1 = nn.BatchNorm2d(12)self.conv2 = nn.Conv2d(12, 12, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(12)self.pool = nn.MaxPool2d(2)self.conv3 = nn.Conv2d(12, 24, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn3 = nn.BatchNorm2d(24)self.conv4 = nn.Conv2d(24, 24, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn4 = nn.BatchNorm2d(24)self.fc1 = nn.Linear(24 * 50 * 50, len(classNames))def forward(self, x):x = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))x = F.relu(self.bn2(self.conv2(x)))  x = self.pool(x)x = F.relu(self.bn3(self.conv3(x)))     x = F.relu(self.bn4(self.conv4(x))) x = self.pool(x)  x = x.view(-1, 24 * 50 * 50)x = self.fc1(x)return x;

使用summary查看模型

from torchsummary import summary
# 将模型转移到GPU中
model = Model().to(device)
summary(model, input_size=(3, 224, 224))

模型训练

训练函数

def train(dataloader, model, loss_fn, opt):size = len(dataloader.dataset)num_batches = len(dataloader)train_acc, train_loss = 0, 0for X, y in dataloader:X, y = X.to(device), y.to(device)pred = model(X)loss = loss_fn(pred, y)opt.zero_grad()loss.backward()opt.step()train_acc += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()train_loss += loss.item()train_acc /= sizetrain_loss /= num_batchesreturn train_acc, train_loss

测试函数

def test(dataloader, model, loss_fn):size = len(dataloader.dataset)num_batches = len(dataloader)test_acc, test_loss = 0, 0with torch.no_grad():for X, y in dataloader:X, y = X.to(device), y.to(device)pred = model(X)loss = loss_fn(pred, y)test_acc += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()test_loss += loss.item()test_acc /= sizetest_loss /= num_batchesreturn test_acc, test_loss

定义一些超参数,经实验,将学习率设置为0.01效果最好。

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
learn_rate = 0.01
opt = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learn_rate)

开始训练,epochs设置为20,并且将训练集的最优结果保存。

import time
epochs = 20
train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []T1 = time.time()best_acc = 0
PATH = './my_model.pth'for epoch in range(epochs):model.train()epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, opt)model.eval() # 确保模型不会进行训练操作epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)if epoch_test_acc > best_acc:best_acc = epoch_test_acctorch.save(model.state_dict(), PATH)print("model save")train_acc.append(epoch_train_acc)train_loss.append(epoch_train_loss)test_acc.append(epoch_test_acc)test_loss.append(epoch_test_loss)print("epoch:%d, train_acc:%.1f%%, train_loss:%.3f, test_acc:%.1f%%, test_loss:%.3f"% (epoch + 1, epoch_train_acc * 100, epoch_train_loss, epoch_test_acc * 100, epoch_test_loss))
print("Done")
T2 = time.time()
print('程序运行时间:%s毫秒' % ((T2 - T1)*1000))

可以看到,最好的时候,测试集准确率达到百分之91.8
在这里插入图片描述

数据可视化

使用matplotlib进行数据可视化。

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()

在这里插入图片描述

其他模型

本次实验也使用了ResNet模型,虽然参数量较大,但训练效果较好
定义模型

class Model(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()# 创建预训练的ResNet-18模型self.resnet = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)# 将ResNet的最后一层(全连接层)替换为适合二分类问题的新全连接层self.resnet.fc = nn.Linear(self.resnet.fc.in_features, len(classes))def forward(self, x):return self.resnet(x)from torchsummary import summary
# 将模型转移到GPU中
model = Model().to(device)

经实验,把学习率设置为0.001,效果较好

import time
epochs = 50
train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
learn_rate = 0.001
opt = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learn_rate)T1 = time.time()best_acc = 0
PATH = './my_model.pth'for epoch in range(epochs):model.train()epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, opt)model.eval() # 确保模型不会进行训练操作epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)if epoch_test_acc > best_acc:best_acc = epoch_test_acctorch.save(model.state_dict(), PATH)print("model save")train_acc.append(epoch_train_acc)train_loss.append(epoch_train_loss)test_acc.append(epoch_test_acc)test_loss.append(epoch_test_loss)print("epoch:%d, train_acc:%.1f%%, train_loss:%.3f, test_acc:%.1f%%, test_loss:%.3f"% (epoch + 1, epoch_train_acc * 100, epoch_train_loss, epoch_test_acc * 100, epoch_test_loss))
print("Done")
T2 = time.time()
print('程序运行时间:%s毫秒' % ((T2 - T1)*1000))

最终在测试集的准确率可达到97.2%。
在这里插入图片描述
可视化训练过程

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()

在这里插入图片描述

图片预测

img_path:要进行预测的图像文件的路径。
model:用于进行图像分类预测的深度学习模型。
transform:用于对图像进行预处理的数据转换函数。
classes:包含类别标签的列表,用于将模型的输出索引映射回类别标签。
大致意思是图像与训练时的输入数据格式相匹配,模型接受批量输入,因此我们需要在维度上添加一个批次维度,从而进行预测

classes = list(total_data.class_to_idx)
def predict_img(img_path, model, transform, classes):test_img = Image.open(img_path).convert('RGB')test_img = transform(test_img)img = test_img.to(device).unsqueeze(0)model.eval()output = model(img)_, pred = torch.max(output, 1) # 在张量的第一个维度上取最大值操作pred_class = classes[pred]print(f'预测结果是:{pred_class}')

开始预测

predict_img(img_path='./data/monkeydata/Monkeypox/M01_01_00.jpg', model=model, transform=train_transforms, classes=classes)
# 预测结果是:Monkeypox

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