深度学习pytorch实战第P3周--实现天气识别

>- **🍨 本文为[🔗365天深度学习训练营](https://mp.weixin.qq.com/s/0dvHCaOoFnW8SCp3JpzKxg) 中的学习记录博客**
>- **🍖 原作者：[K同学啊](https://mtyjkh.blog.csdn.net/)**

引言

1.复习上周

深度学习pytorch实战-第P2周-彩色图片识别http://t.csdnimg.cn/f5l6F对于上周的学习，数据集是下载的

2.摆正心态

正如K同学所说，学到第三周左右就会有点感觉了，还真是这样，引领我入门，激发了我的兴趣，同时感谢同济子豪兄。

3.本机环境

见上文

4.学习目标

扎扎实实学好习，走好每一步。

一、前期准备

1.设置GPU

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision
from torchvision import transforms, datasetsimport os,PIL,pathlib,randomdevice = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")device

2.导入数据

data_dir = './weather_photos/'
print(data_dir)
data_dir = pathlib.Path(data_dir)data_paths = list(data_dir.glob('*'))
classeNames = [str(path).split("\\")[1] for path in data_paths]
classeNames

第一步：使用pathlib.Path()函数将字符串类型的文件夹路径转换为pathlib.Path对象。
第二步：使用glob()方法获取data_dir路径下的所有文件路径，并以列表形式存储在data_paths中。
第三步：通过split()函数对data_paths中的每个文件路径执行分割操作，获得各个文件所属的类别名称，并存储在classeNames中
第四步：打印classeNames列表，显示每个文件所属的类别名称。

3.数据可视化

import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image# 指定图像文件夹路径
image_folder = './weather_photos/cloudy/'# 获取文件夹中的所有图像文件
image_files = [f for f in os.listdir(image_folder) if f.endswith((".jpg", ".png", ".jpeg"))]# 创建Matplotlib图像
fig, axes = plt.subplots(3, 8, figsize=(16, 6))# 使用列表推导式加载和显示图像
for ax, img_file in zip(axes.flat, image_files):img_path = os.path.join(image_folder, img_file)img = Image.open(img_path)ax.imshow(img)ax.axis('off')# 显示图像
plt.tight_layout()
plt.show()

图片大小处理

total_datadir = './data/'# 关于transforms.Compose的更多介绍可以参考：https://blog.csdn.net/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.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(total_datadir,transform=train_transforms)
total_data

划分数据集（4：1）

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])
train_dataset, test_dataset

batch_size = 32train_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)

for X, y in test_dl:print("Shape of X [N, C, H, W]: ", X.shape)print("Shape of y: ", y.shape, y.dtype)break

二、构建简单的CNN网络

对于一般的CNN网络来说，都是由特征提取网络和分类网络构成，其中特征提取网络用于提取图片的特征，分类网络用于将图片进行分类

参数详解见上文。

import torch.nn.functional as Fclass Network_bn(nn.Module):def __init__(self):super(Network_bn, self).__init__()"""nn.Conv2d()函数：第一个参数（in_channels）是输入的channel数量第二个参数（out_channels）是输出的channel数量第三个参数（kernel_size）是卷积核大小第四个参数（stride）是步长，默认为1第五个参数（padding）是填充大小，默认为0"""self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=12, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn1 = nn.BatchNorm2d(12)self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=12, out_channels=12, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(12)self.pool1 = nn.MaxPool2d(2,2)self.conv4 = nn.Conv2d(in_channels=12, out_channels=24, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn4 = nn.BatchNorm2d(24)self.conv5 = nn.Conv2d(in_channels=24, out_channels=24, kernel_size=5, stride=1, padding=0)self.bn5 = nn.BatchNorm2d(24)self.pool2 = nn.MaxPool2d(2,2)self.fc1 = nn.Linear(24*50*50, len(classeNames))def forward(self, x):x = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))      x = F.relu(self.bn2(self.conv2(x)))     x = self.pool1(x)                        x = F.relu(self.bn4(self.conv4(x)))     x = F.relu(self.bn5(self.conv5(x)))  x = self.pool2(x)                        x = x.view(-1, 24*50*50)x = self.fc1(x)return xdevice = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print("Using {} device".format(device))model = Network_bn().to(device)
model

三、训练模型

1.设置超参数

loss_fn    = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数
learn_rate = 1e-4 # 学习率
opt        = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=learn_rate)

2.编写训练函数

# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):size = len(dataloader.dataset)  # 训练集的大小，一共60000张图片num_batches = len(dataloader)   # 批次数目，1875（60000/32）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losstrain_acc  += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()train_loss += loss.item()train_acc  /= sizetrain_loss /= num_batchesreturn train_acc, train_loss

3.编写测试函数

def test (dataloader, model, loss_fn):size        = len(dataloader.dataset)  # 测试集的大小，一共10000张图片num_batches = len(dataloader)          # 批次数目，313（10000/32=312.5，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losstarget_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  /= sizetest_loss /= num_batchesreturn test_acc, test_loss

4.正式训练

epochs     = 20
train_loss = []
train_acc  = []
test_loss  = []
test_acc   = []for epoch in range(epochs):model.train()epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, opt)model.eval()epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)train_acc.append(epoch_train_acc)train_loss.append(epoch_train_loss)test_acc.append(epoch_test_acc)test_loss.append(epoch_test_loss)template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%，Test_loss:{:.3f}')print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, epoch_test_acc*100, epoch_test_loss))
print('Done')

也不是伦茨越多越好

四、结果可视化

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()

五、保存模型并预测

# 1.保存模型# torch.save(model, 'model.pth') # 保存整个模型
torch.save(model.state_dict(), 'model_state_dict.pth') # 仅保存状态字典# 2. 加载模型 or 新建模型加载状态字典# model2 = torch.load('model.pth') 
# model2 = model2.to(device) # 理论上在哪里保存模型，加载模型也会优先在哪里，但是指定一下确保不会出错model2 = Network_bn().to(device) # 重新定义模型
model2.load_state_dict(torch.load('model_state_dict.pth')) # 加载状态字典到模型# 3.图片预处理
from PIL import Image
import torchvision.transforms as transforms# 输入图片预处理
def preprocess_image(image_path):image = Image.open(image_path)transform = transforms.Compose([transforms.Resize((224, 224)),  # 假设使用的是224x224的输入transforms.ToTensor(),transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]),])image = transform(image).unsqueeze(0)  # 增加一个批次维度return image# 4.预测函数（指定路径）
def predict(image_path, model):model.eval()  # 将模型设置为评估模式with torch.no_grad():  # 关闭梯度计算image = preprocess_image(image_path)image = image.to(device)  # 确保图片在正确的设备上outputs = model(image)_, predicted = torch.max(outputs, 1)  # 获取最可能的预测类别return predicted.item()# 5.预测并输出结果
image_path = "./weather_photos/shine/shine101.jpg"  # 替换为你的图片路径
prediction = predict(image_path, model)
class_names = ["cloudy", "rain", "shine", "sunrise"]  # Replace with your class labels
predicted_label = class_names[prediction]
print("Predicted class:", predicted_label)

Predicted class: shine

# 选取dataloader中的一个图像进行判断
import numpy as np
# 选取图像
imgs,labels = next(iter(train_dl))
image,label = imgs[0],labels[0]# 选取指定图像并展示
# 调整维度为 [224, 224, 3]
image_to_show = image.numpy().transpose((1, 2, 0))# 归一化
mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
image_to_show = std * image_to_show + mean
image_to_show = np.clip(image_to_show, 0, 1)# 显示图像
plt.imshow(image_to_show)
plt.show()# 将图像转移到模型所在的设备上（如果使用GPU）
image = image.to(device)# 预测
with torch.no_grad():output = model(image.unsqueeze(0))  # 添加批次维度# 输出预测结果
_, predicted = torch.max(output, 1)
class_names = ["cloudy", "rain", "shine", "sunrise"]  # Replace with your class labels
predicted_label = class_names[predicted]
print(f"Predicted: {predicted.item()}, Actual: {label.item()}")

如何保存模型可以看这篇http://t.csdnimg.cn/yCkr7

六，总结

构建数据集中

此次数据集不是直接从网上下载的，而是保存在本地的，那么我们构建数据集的代码就有3步了，第一步就是从我们的本地获取数据集，使用pathlib将路径转化为pathlib.path对象，使用glob方法获取路径下的所有文件路径并保存到datapath，通过spilt分割路径并保存在classname中，打印classname列表。这是在确保路径文件夹正确，且分类正确。接下来可以使用matplotlib.pyplot和PIL来获取图片，并可视化，过程中使用列表推导式加载和显示图像，第二步划分数据集，4：1比例划分并保存为dataset对象，第三步定义batch_size大小，使用dataloder加载器来管理数据，

构建cnn网络中

主要是特征提取网络和分类网络的构建，首先进行一个网络初始化init，定义网络结构，卷积层1，bn层1，（nn.BatchNorm2d(12) 是 PyTorch 中的一个批量归一化层。批量归一化用于加速神经网络的训练过程，并提高模型的泛化能力。在卷积神经网络中），卷积2，bn2，池化1，卷积4，bn层4，卷积5，bn层5，池化层2，全连接层1，然后定义进行前向传播结构，并在每一层（卷积+bn）进行relu函数返回给x，然后再池化，再relu，最后拉平，使用view函数，并传给fc层进行分类。

训练模型中

设置超参数，loss一般用交叉熵，学习率一般0.0001，opt采用sgd或者adam

编写训练函数中

编写训练函数时候，要使用size知道dataloaer加载的dataset大小长度，每batchnum就是dataloder的长度，定义训练集损失和准确率，获取图片和标签从dataloder中，计算误差，进行啊反向传播更新参数，每一步自动更新，记录acc和loss，最后计算train的acc和loss