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基于pycaffe的网络训练和结果分析(mnist数据集)

时间:2017-05-21 13:52:02      阅读:636      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:左右   比较   ack   观察   base   generate   erp   form   softmax   

该工作的主要目的是为了练习运用pycaffe来进行神经网络一站式训练,并从多个角度来分析对应的结果。

目标:

  1. python的运用训练
  2. pycaffe的接口熟悉
  3. 卷积网络(CNN)和全连接网络(DNN)的效果差异性
  4. 学会从多个角度来分析分类结果
    • 哪些图片被分类错误并进行可视化?
    • 为什么被分错?
    • 每一类是否同等机会被分错?
    • 在迭代过程中,每一类的错误几率如何变化?
    • 是否开始被正确识别后来又被错误识别了?

测试数据集:mnist

代码:https://github.com/TiBAiL/PycaffeTrain-LeNet

环境:Ubuntu 16.04LTS训练,Windows 7+VS2013分析

 

关于网络架构,在caffe的训练过程中,会涉及到三种不同类型的prototxt文件,分别用于train、test(validation)以及deploy。这三种文件需要保持网络架构上的统一,方可使得程序正常工作。为了达到这一目的,可以通过程序自动生成对应的文件。这三种文件的主要区别在于输入数据层以及loss/accuracy/prob层。

与此同时,针对solver.prototxt文件,我也采用了python程序的方式进行生成。在求解过程中,为了能够统计train loss/test loss以及accuracy信息以及保存任意时刻的model参数,可以采用pycaffe提供的api接口进行处理。

代码如下:

  1 import numpy as np
  2 import caffe
  3 from caffe import layers as L, params as P, proto, to_proto
  4 
  5 # file path
  6 root = /home/your-account/DL-Analysis/
  7 train_list = root + mnist/mnist_train_lmdb
  8 test_list = root + mnist/mnist_test_lmdb
  9 
 10 train_proto = root + mnist/LeNet/train.prototxt
 11 test_proto = root + mnist/LeNet/test.prototxt
 12 
 13 deploy_proto = root + mnist/LeNet/deploy.prototxt
 14 
 15 solver_proto = root + mnist/LeNet/solver.prototxt
 16 
 17 def LeNet(data_list, batch_size, IncludeAccuracy = False, deploy = False):
 18     """
 19     LeNet define
 20     """
 21 
 22     if not(deploy):
 23         data, label =  L.Data(source = data_list,
 24                               backend = P.Data.LMDB,
 25                               batch_size = batch_size,
 26                               ntop = 2,
 27                               transform_param = dict(scale = 0.00390625))
 28     else:
 29         data = L.Input(input_param = {shape: {dim: [64, 1, 28, 28]}})
 30     
 31     conv1 = L.Convolution(data,
 32                           kernel_size = 5,
 33                           stride = 1,
 34                           num_output = 20,
 35                           pad = 0,
 36                           weight_filler = dict(type = xavier))
 37     
 38     pool1 = L.Pooling(conv1,
 39                       pool = P.Pooling.MAX,
 40                       kernel_size = 2,
 41                       stride = 2)
 42     
 43     conv2 = L.Convolution(pool1,
 44                           kernel_size = 5,
 45                           stride = 1,
 46                           num_output = 50,
 47                           pad = 0,
 48                           weight_filler = dict(type = xavier))
 49     
 50     pool2 = L.Pooling(conv2,
 51                       pool = P.Pooling.MAX,
 52                       kernel_size = 2,
 53                       stride = 2)
 54 
 55     ip1 = L.InnerProduct(pool2,
 56                          num_output = 500,
 57                          weight_filler = dict(type = xavier))
 58     
 59     relu1 = L.ReLU(ip1,
 60                    in_place = True)
 61     
 62     ip2 = L.InnerProduct(relu1,
 63                          num_output = 10,
 64                          weight_filler = dict(type = xavier))
 65     
 66     #loss = L.SoftmaxWithLoss(ip2, label)
 67 
 68     if ( not(IncludeAccuracy) and not(deploy) ):
 69         # train net
 70         loss = L.SoftmaxWithLoss(ip2, label)
 71         return to_proto(loss)
 72     
 73     elif ( IncludeAccuracy and not(deploy) ):
 74         # test net
 75         loss = L.SoftmaxWithLoss(ip2, label)
 76         Accuracy = L.Accuracy(ip2, label)
 77         return to_proto(loss, Accuracy)
 78     
 79     else:
 80         # deploy net
 81         prob = L.Softmax(ip2)
 82         return to_proto(prob)
 83     
 84 def WriteNet():
 85     """
 86     write proto to file
 87     """
 88     
 89     # train net
 90     with open(train_proto, w) as file:
 91         file.write( str(LeNet(train_list, 64, IncludeAccuracy = False, deploy = False)) )
 92 
 93     # test net
 94     with open(test_proto, w) as file:
 95         file.write( str(LeNet(test_list, 100, IncludeAccuracy = True, deploy = False)) )
 96 
 97     # deploy net
 98     with open(deploy_proto, w) as file:
 99         file.write( str(LeNet(not need, 64, IncludeAccuracy = False, deploy = True)) )
100 
101 def GenerateSolver(solver_file, train_net, test_net):
102     """
103     generate the solver file
104     """
105     
106     s = proto.caffe_pb2.SolverParameter()
107     s.train_net = train_net
108     s.test_net.append(test_net)
109     s.test_interval = 100
110     s.test_iter.append(100)
111     s.max_iter = 10000
112     s.base_lr = 0.01
113     s.momentum = 0.9
114     s.weight_decay = 5e-4
115     s.lr_policy = step
116     s.stepsize = 3000
117     s.gamma = 0.1
118     s.display = 100
119     s.snapshot = 0
120     s.snapshot_prefix = ./lenet
121     s.type = SGD
122     s.solver_mode = proto.caffe_pb2.SolverParameter.GPU
123 
124     with open(solver_file, w) as file:
125         file.write( str(s) )
126 
127 def Training(solver_file):
128     """
129     training
130     """
131 
132     caffe.set_device(0)
133     caffe.set_mode_gpu() 
134     solver = caffe.get_solver(solver_file)
135     #solver.solve() # solve completely
136     
137     number_iteration = 10000
138 
139     # collect the information
140     display = 100
141 
142     # test information
143     test_iteration = 100
144     test_interval = 100
145 
146     # loss and accuracy information
147     train_loss = np.zeros( np.ceil(number_iteration * 1.0 / display) )
148     test_loss = np.zeros( np.ceil(number_iteration * 1.0 / test_interval) )
149     test_accuracy = np.zeros( np.ceil(number_iteration * 1.0 / test_interval) )
150 
151     # tmp variables
152     _train_loss = 0; _test_loss = 0; _test_accuracy = 0;
153 
154     # main loop
155     for iter in range(number_iteration):
156         solver.step(1)
157 
158         # save model during training
159         if iter in [10, 30, 60, 100, 300, 600, 1000, 3000, 6000, number_iteration - 1]:
160             string = lenet_iter_%(iter)d.caffemodel%{iter: iter}
161             solver.net.save(string)
162 
163         if 0 == iter % display:
164             train_loss[iter // display] = solver.net.blobs[SoftmaxWithLoss1].data
165             
166         ‘‘‘
167         # accumulate the train loss
168         _train_loss += solver.net.blobs[‘SoftmaxWithLoss1‘].data
169         if 0 == iter % display:
170             train_loss[iter // display] = _train_loss / display
171             _train_loss = 0
172         ‘‘‘
173 
174         if 0 == iter % test_interval:
175             for test_iter in range(test_iteration):
176                 solver.test_nets[0].forward()
177                 _test_loss += solver.test_nets[0].blobs[SoftmaxWithLoss1].data
178                 _test_accuracy += solver.test_nets[0].blobs[Accuracy1].data
179 
180             test_loss[iter / test_interval] = _test_loss / test_iteration
181             test_accuracy[iter / test_interval] = _test_accuracy / test_iteration
182             _test_loss = 0
183             _test_accuracy = 0
184 
185     # save for analysis
186     np.save(./train_loss.npy, train_loss)
187     np.save(./test_loss.npy, test_loss)
188     np.save(./test_accuracy.npy, test_accuracy)
189     
190 if __name__ == __main__:
191     WriteNet()
192     GenerateSolver(solver_proto, train_proto, test_proto)
193 Training(solver_proto)

 

利用上述代码训练出来的model进行预测,并对结果进行分析(相关分析代码参见上述链接):

  • 利用第10000步(最后一步)时的model进行预测,其分类错误率为0.91%。为了能够直观的观察哪些图片被分类错误,这里我们给出了所有分类错误的图片。在对应标题中,第一个数字为预测值,第二个数字为实际真实值。从中我们可以看到,如红框所示,有许多数字确实是鬼斧神工,人都几乎无法有效区分。

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  • 现在,我们来看一看,针对每一类,其究竟被分成了哪些数字?这个其实可以从上图看出,这里我给出他们的柱状图,其中子标题表示真实的label,横坐标表示被错误分类的label,纵坐标表示数量,最后一个子图表示在所有的错误分类中,每一类所占的比例。从中可以看出,3/5,4/6,7/2,9/4等较容易混淆,这个也可以非常容易理解。此外,我们也可以发现,数字1最容易分辨,这个可能是因为每个人写1都比较相似,变体较少导致的。

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  • 接着,让我们来考察一下,在迭代过程中,每个数字的分类准确度是如何变化的。其中,子标题表示真实的label,横坐标表示迭代步数,纵坐标表示分类错误的数量,最后一个子图表示迭代过程中,总的错误率的变化曲线。从该图中,我们可以看出,在迭代过程中,一个图片是有可能先被分类正确后来又被分类错误的(各子曲线并不呈现单调递减的关系),这点也可以从中间变量中进行定量分析看出(代码中有该变量)。

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  • 关于train loss、test loss以及accuracy的曲线。注意,这里的train loss是某一步的值(因此具有强随机性),而test loss以及accuracy则是100次的平均值(因此较为平滑)

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  • 最后,让我们来分析一下全连接网络(DNN)的结果。所采用的网络架构为LeNet-300-100。其最终的分类错误率为3.6%。这里我仅给出按比例随机挑选的100张错误图片,以及在迭代过程中每个数字错误率的变换,如下所示。可以看到,DNN网络在第10步时其错误率高达80%左右,而CNN网络在该步时的错误率为30%左右,这其中是否有某种深刻内涵呢?

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基于pycaffe的网络训练和结果分析(mnist数据集)

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原文地址:http://www.cnblogs.com/TiBAi/p/6884033.html

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