机器学习天气识别

>- **🍨 本文为[🔗365天深度学习训练营](https://mp.weixin.qq.com/s/Nb93582M_5usednAKp_Jtw) 中的学习记录博客**
>- **🍖 原作者：[K同学啊 | 接辅导、项目定制](https://mtyjkh.blog.csdn.net/)**
>- **🚀 文章来源：[K同学的学习圈子](https://www.yuque.com/mingtian-fkmxf/zxwb45)**

一、前期准备

1. 设置GPU

如果设备上支持GPU就使用GPU,否则使用CPU

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision
from torchvision import transforms, datasets

import os,PIL,pathlib,random

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

print(device)

输出：

device(type='cpu')

2. 导入数据

data_dir = './data/'
data_dir = pathlib.Path(data_dir)

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

输出：

['cloudy', 'rain', 'shine', 'sunrise']

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。

import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image

# 指定图像文件夹路径
image_folder = './data/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()

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

输出结果：

Dataset ImageFolder
    Number of datapoints: 1125
    Root location: ./data/
    StandardTransform
Transform: Compose(
               Resize(size=[224, 224], interpolation=bilinear, max_size=None, antialias=None)
               ToTensor()
               Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
           )

3. 划分数据集

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

代码输出：

(<torch.utils.data.dataset.Subset at 0x1cd91e01ee0>,
 <torch.utils.data.dataset.Subset at 0x1cd91e01f70>)

train_size表示训练集大小，通过将总体数据长度的80%转换为整数得到；
test_size表示测试集大小，是总体数据长度减去训练集大小。

使用torch.utils.data.random_split()方法进行数据集划分。该方法将总体数据total_data按照指定的大小比例（[train_size, test_size]）随机划分为训练集和测试集，并将划分结果分别赋值给train_dataset和test_dataset两个变量。

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)

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

Shape of X [N, C, H, W]:  torch.Size([32, 3, 224, 224])
Shape of y:  torch.Size([32]) torch.int64

torch.utils.data.DataLoader()参数详解

torch.utils.data.DataLoader 是 PyTorch 中用于加载和管理数据的一个实用工具类。它允许你以小批次的方式迭代你的数据集，这对于训练神经网络和其他机器学习任务非常有用。DataLoader 构造函数接受多个参数，下面是一些常用的参数及其解释：

dataset（必需参数）：这是你的数据集对象，通常是 torch.utils.data.Dataset 的子类，它包含了你的数据样本。
batch_size（可选参数）：指定每个小批次中包含的样本数。默认值为 1。
shuffle（可选参数）：如果设置为 True，则在每个 epoch 开始时对数据进行洗牌，以随机打乱样本的顺序。这对于训练数据的随机性很重要，以避免模型学习到数据的顺序性。默认值为 False。
num_workers（可选参数）：用于数据加载的子进程数量。通常，将其设置为大于 0 的值可以加快数据加载速度，特别是当数据集很大时。默认值为 0，表示在主进程中加载数据。
pin_memory（可选参数）：如果设置为 True，则数据加载到 GPU 时会将数据存储在 CUDA 的锁页内存中，这可以加速数据传输到 GPU。默认值为 False。
drop_last（可选参数）：如果设置为 True，则在最后一个小批次可能包含样本数小于 batch_size 时，丢弃该小批次。这在某些情况下很有用，以确保所有小批次具有相同的大小。默认值为 False。
timeout（可选参数）：如果设置为正整数，它定义了每个子进程在等待数据加载器传递数据时的超时时间（以秒为单位）。这可以用于避免子进程卡住的情况。默认值为 0，表示没有超时限制。
worker_init_fn（可选参数）：一个可选的函数，用于初始化每个子进程的状态。这对于设置每个子进程的随机种子或其他初始化操作很有用。

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。

⭐1. torch.nn.Conv2d()详解

函数原型：

torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True, padding_mode='zeros', device=None, dtype=None)

关键参数说明：

in_channels ( int ) – 输入图像中的通道数

out_channels ( int ) – 卷积产生的通道数

kernel_size ( int or tuple ) – 卷积核的大小

stride ( int or tuple , optional ) -- 卷积的步幅。默认值：1

padding ( int , tuple或str , optional ) – 添加到输入的所有四个边的填充。默认值：0

padding_mode (字符串,可选) – 'zeros', 'reflect', 'replicate'或'circular'. 默认：'zeros'

⭐2. torch.nn.Linear()详解

函数原型：

torch.nn.Linear(in_features, out_features, bias=True, device=None, dtype=None)

关键参数说明：

in_features：每个输入样本的大小

out_features：每个输出样本的大小

⭐3. torch.nn.MaxPool2d()详解

函数原型：

torch.nn.MaxPool2d(kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False, ceil_mode=False)

关键参数说明：

kernel_size：最大的窗口大小

stride：窗口的步幅，默认值为kernel_size

padding：填充值，默认为0

dilation：控制窗口中元素步幅的参数

大家注意一下在卷积层和全连接层之间，我们可以使用之前是torch.flatten()也可以使用我下面的x.view()亦或是torch.nn.Flatten()。torch.nn.Flatten()与TensorFlow中的Flatten()层类似，前两者则仅仅是一种数据集拉伸操作（将二维数据拉伸为一维），torch.flatten()方法不会改变x本身，而是返回一个新的张量。而x.view()方法则是直接在原有数据上进行操作。

网络结构图（可单击放大查看）：

import torch.nn.functional as F

class 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.pool = 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.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.pool(x)                        
        x = F.relu(self.bn4(self.conv4(x)))     
        x = F.relu(self.bn5(self.conv5(x)))  
        x = self.pool(x)                        
        x = x.view(-1, 24*50*50)
        x = self.fc1(x)

        return x

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

model = Network_bn().to(device)
model

Using cpu device

Network_bn(
  (conv1): Conv2d(3, 12, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (bn1): BatchNorm2d(12, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (conv2): Conv2d(12, 12, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (bn2): BatchNorm2d(12, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (pool): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (conv4): Conv2d(12, 24, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (bn4): BatchNorm2d(24, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (conv5): Conv2d(24, 24, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (bn5): BatchNorm2d(24, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (fc1): Linear(in_features=60000, out_features=4, bias=True)
)

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

1. optimizer.zero_grad()

函数会遍历模型的所有参数，通过内置方法截断反向传播的梯度流，再将每个参数的梯度值设为0，即上一次的梯度记录被清空。

2. loss.backward()

PyTorch的反向传播(即tensor.backward())是通过autograd包来实现的，autograd包会根据tensor进行过的数学运算来自动计算其对应的梯度。

具体来说，torch.tensor是autograd包的基础类，如果你设置tensor的requires_grads为True，就会开始跟踪这个tensor上面的所有运算，如果你做完运算后使用tensor.backward()，所有的梯度就会自动运算，tensor的梯度将会累加到它的.grad属性里面去。

更具体地说，损失函数loss是由模型的所有权重w经过一系列运算得到的，若某个w的requires_grads为True，则w的所有上层参数（后面层的权重w）的.grad_fn属性中就保存了对应的运算，然后在使用loss.backward()后，会一层层的反向传播计算每个w的梯度值，并保存到该w的.grad属性中。

如果没有进行tensor.backward()的话，梯度值将会是None，因此loss.backward()要写在optimizer.step()之前。

3. optimizer.step()

step()函数的作用是执行一次优化步骤，通过梯度下降法来更新参数的值。因为梯度下降是基于梯度的，所以在执行optimizer.step()函数前应先执行loss.backward()函数来计算梯度。

注意：optimizer只负责通过梯度下降进行优化，而不负责产生梯度，梯度是tensor.backward()方法产生的。

# 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

3. 编写测试函数

测试函数和训练函数大致相同，但是由于不进行梯度下降对网络权重进行更新，所以不需要传入优化器

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

4. 正式训练

1. model.train()

model.train()的作用是启用 Batch Normalization 和 Dropout。

如果模型中有BN层(Batch Normalization）和Dropout，需要在训练时添加model.train()。model.train()是保证BN层能够用到每一批数据的均值和方差。对于Dropout，model.train()是随机取一部分网络连接来训练更新参数。

2. model.eval()

model.eval()的作用是不启用 Batch Normalization 和 Dropout。

如果模型中有BN层(Batch Normalization）和Dropout，在测试时添加model.eval()。model.eval()是保证BN层能够用全部训练数据的均值和方差，即测试过程中要保证BN层的均值和方差不变。对于Dropout，model.eval()是利用到了所有网络连接，即不进行随机舍弃神经元。

训练完train样本后，生成的模型model要用来测试样本。在model(test)之前，需要加上model.eval()，否则的话，有输入数据，即使不训练，它也会改变权值。这是model中含有BN层和Dropout所带来的的性质。

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')

Epoch: 1, Train_acc:61.4%, Train_loss:0.986, Test_acc:72.0%，Test_loss:0.865
Epoch: 2, Train_acc:76.7%, Train_loss:0.674, Test_acc:83.6%，Test_loss:0.558
Epoch: 3, Train_acc:80.8%, Train_loss:0.561, Test_acc:88.4%，Test_loss:0.447
Epoch: 4, Train_acc:83.6%, Train_loss:0.485, Test_acc:90.2%，Test_loss:0.431
Epoch: 5, Train_acc:86.3%, Train_loss:0.423, Test_acc:89.8%，Test_loss:0.354
Epoch: 6, Train_acc:86.3%, Train_loss:0.418, Test_acc:88.4%，Test_loss:0.306
Epoch: 7, Train_acc:87.6%, Train_loss:0.389, Test_acc:88.4%，Test_loss:0.401
Epoch: 8, Train_acc:90.0%, Train_loss:0.340, Test_acc:92.9%，Test_loss:0.488
Epoch: 9, Train_acc:90.7%, Train_loss:0.321, Test_acc:92.4%，Test_loss:0.260
Epoch:10, Train_acc:91.0%, Train_loss:0.316, Test_acc:92.9%，Test_loss:0.240
Epoch:11, Train_acc:92.6%, Train_loss:0.288, Test_acc:93.3%，Test_loss:0.254
Epoch:12, Train_acc:91.3%, Train_loss:0.291, Test_acc:92.4%，Test_loss:0.231
Epoch:13, Train_acc:93.9%, Train_loss:0.238, Test_acc:92.4%，Test_loss:0.226
Epoch:14, Train_acc:93.9%, Train_loss:0.255, Test_acc:93.3%，Test_loss:0.200
Epoch:15, Train_acc:93.7%, Train_loss:0.239, Test_acc:94.7%，Test_loss:0.236
Epoch:16, Train_acc:93.4%, Train_loss:0.224, Test_acc:93.3%，Test_loss:0.201
Epoch:17, Train_acc:94.1%, Train_loss:0.265, Test_acc:94.7%，Test_loss:0.187
Epoch:18, Train_acc:93.7%, Train_loss:0.222, Test_acc:94.2%，Test_loss:0.193
Epoch:19, Train_acc:95.4%, Train_loss:0.224, Test_acc:93.8%，Test_loss:0.199
Epoch:20, Train_acc:95.1%, Train_loss:0.201, Test_acc:93.3%，Test_loss:0.175
Done

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()