【Intel校企合作课程】猫狗大战

本文主要是介绍【Intel校企合作课程】猫狗大战，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1：作业简介：猫狗大战

1.1问题描述：

1.2预期解决方案：

1.3数据集

2：数据预处理

2.1数据集结构

2.2探索性数据分析

2.3提取数据集

2.4数据增强

3：使用卷积神经网络识别猫狗图像

3.1VGG-16架构

3.3卷积神经网络

3.3深度神经网络

3.4更改VGG-16网络结构

4：在CPU上训练

4.1参数设置

4.2在intel云平台CPU上训练50次

4.3查看test1数据集F1分数及时间

4.4使用模型进行测试

4.5保存模型

5：使用oneAPI组件

5.1Transfer Learning with oneAPI AI Analytics Toolkit进行迁移学习

5.2使用Intel Extension for PyTorch进行优化

5.3使用 Intel® Neural Compressor 量化模型

5.3使用量化后的模型在 CPU上进行推理

6：总结

1：作业简介：猫狗大战

1.1问题描述：

在这个问题中，你将面临一个经典的机器学习分类挑战——猫狗大战。你的任务是建立一个分类模型，能够准确地区分图像中是猫还是狗。

1.2预期解决方案：

你的目标是通过训练一个机器学习模型，使其在给定一张图像时能够准确地预测图像中是猫还是狗。模型应该能够推广到未见过的图像，并在测试数据上表现良好。我们期待您将其部署到模拟的生产环境中——这里推理时间和二分类准确度（F1分数）将作为评分的主要依据。

1.3数据集

链接：百度网盘请输入提取码

提取码：jc34

2：数据预处理

2.1数据集结构

本项目数据集共由两部分组成，分别包含为test1，train文件夹。

训练集test下有两个文件夹，分别为cat和dog，cat表示猫的训练图片，dog表示狗的训练图片

2.2探索性数据分析

在这里，我分别取了train数据集下的随机不重样3个猫，3个狗的图像进行展示。

import cv2train_dir = 'train'  # 图片路径# 正常和肺炎的路径
cat_imgs = [fn for fn in os.listdir(f'{train_dir}/cat') if fn.endswith('.jpg')]
dog_imgs = [fn for fn in os.listdir(f'{train_dir}/dog') if fn.endswith('.jpg')]print(f'猫的数量为： {len(cat_imgs)}')
print(f'狗的数量为： {len(dog_imgs)}')# 随机不重样的抽选3个猫，3个狗
select_CAT = np.random.choice(cat_imgs, 3, replace=False)
select_DOG = np.random.choice(dog_imgs, 3, replace=False)# 使用pit打印出来
fig = plt.figure(figsize=(20, 10))
for i in range(6):if i < 3:fp = f'{train_dir}/cat/{select_CAT[i]}'label = 'CAT'else:fp = f'{train_dir}/dog/{select_DOG[i - 3]}'label = 'DOG'ax = fig.add_subplot(2, 3, i + 1)  # 两行三列# to plot without rescaling, remove target_sizefn = cv2.imread(fp)fn_gray = cv2.cvtColor(fn, cv2.COLOR_BGR2GRAY)plt.imshow(fn, cmap='Greys_r')plt.title(label)plt.axis('off')
plt.show()# 总的训练集样本数
print(f'猫数量为： {len(cat_imgs)}')
print(f'狗数量为： {len(dog_imgs)}')

2.3提取数据集

在本项目中，为了更好地提取出图像，我构建了一个函数，能够将每个主文件夹下的图片提取出来，并且打好了标签。

# 创建自定义数据集
class SelfDataset(Dataset):def __init__(self, root_dir, flag, transform=None):self.root_dir = root_dirself.transform = transformself.classes = ['cat', 'dog']self.flag=flagself.data = self.load_data()def load_data(self):data = []class_path = self.root_dirfor class_idx, class_name in enumerate(self.classes):if self.flag:class_path = os.path.join(self.root_dir, class_name)for file_name in os.listdir(class_path):file_path = os.path.join(class_path, file_name)if os.path.isfile(file_path) and file_name.lower().endswith('.jpg'):data.append((file_path, class_idx))return datadef __len__(self):return len(self.data)def __getitem__(self, idx):img_path, label = self.data[idx]img = Image.open(img_path).convert('RGB')if self.transform:img = self.transform(img)return img, label

2.4数据增强

在图像预处理阶段，我首先采用transforms.RandomResizedCrop(64)对图像进行随机裁剪，并确保裁剪后的图像大小为64x64像素。这种处理方法旨在增强模型对物体不同尺寸和位置的鲁棒性，从而提高其泛化能力。

其次，我利用transforms.RandomHorizontalFlip对图像进行随机水平翻转。这一步旨在通过一定概率水平翻转图像来扩充训练数据。这有助于模型学习物体在水平方向上的不变性，进一步提升其泛化能力。

# 数据集路径
train_dataset_path = 'train'
test_dataset_path = 'test1'# 数据增强
transform = transforms.Compose([transforms.RandomResizedCrop(64),transforms.RandomHorizontalFlip(),transforms.ToTensor(),
])# 创建数据集实例
train_dataset = SelfDataset(root_dir=train_dataset_path, flag=True, transform=transform)
test_dataset = SelfDataset(root_dir=test_dataset_path, flag=False, transform=transform)# 创建 DataLoader
batch_size = 64
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)
print(len(train_loader))
print(len(test_loader))

3：使用卷积神经网络识别猫狗图像

3.1VGG-16架构

VGG-16是一个深度卷积神经网络模型，由16层组成，包括13个卷积层和3个全连接层。该模型通过反复堆叠3x3的小型卷积核和2x2的最大池化层，实现了深度的增加。VGG-16在ImageNet图像分类挑战赛中取得了优异的成绩，并成为了深度学习领域中的经典模型之一。

3.3卷积神经网络

卷积神经网络（CNN）是一种深度学习算法，通过模拟人脑视觉机制来识别图像。它利用卷积核在输入图像上滑动，提取局部特征，并通过多层卷积和池化操作逐步抽象出高级特征。广泛应用于图像分类、目标检测、人脸识别等领域。

3.3深度神经网络

深度神经网络（DNN）是一种复杂的神经网络结构，具有许多隐藏层。通过增加网络的深度，DNN能够更好地学习和表示复杂的特征，提高了分类和预测的准确率。然而，随着深度的增加，训练难度和过拟合的风险也随之增大。为了解决这些问题，研究者们提出了许多改进方法，如残差连接、批量归一化等。

3.4更改VGG-16网络结构

为了适应本项目需求，我对传统的VGG-16网络进行了调整，将其输出大小改为2，并优化了部分网络结构。

vgg16_model = models.vgg16(pretrained=True)# 如果需要微调，可以解冻最后几层
for param in vgg16_model.features.parameters():param.requires_grad = False# 修改分类层
num_features = vgg16_model.classifier[6].in_features
vgg16_model.classifier[6] = nn.Sequential(nn.Linear(num_features, 512),nn.ReLU(),nn.Dropout(0.5),nn.Linear(512, 2)
)

4：在CPU上训练

4.1参数设置

在提升训练精度方面，我采取了以下策略：

采用了交叉熵损失函数（nn.CrossEntropyLoss）来衡量模型的预测与真实标签之间的差异，这是分类任务中常用的损失函数。
使用Adam优化器（optim.Adam），一种基于梯度的优化算法，它在深度学习领域通常表现出色。
采用ReduceLROnPlateau学习率调度器（optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau），该调度器通过监测验证集上的模型性能，并在性能停滞时降低学习率，以优化训练过程。

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(vgg16_model.parameters(), lr=0.001, weight_decay=1e-4)# 添加学习率调度器
# 使用 ReduceLROnPlateau 调度器
scheduler = optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='max', factor=0.1, patience=3, verbose=True)# 训练参数
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
vgg16_model.to(device)

4.2在intel云平台CPU上训练50次

在这里，我使用了两个数据集，分别为train，test1。

训练集train主要用于训练机器学习模型，模型通过学习训练集中的样本，调整参数，以捕捉输入数据的模式和特征。训练集通常规模最大，且高质量、多样性的训练集有助于提高模型的泛化能力。

测试集test1则用于评估训练好的模型的性能。测试集中的样本是模型在训练和验证过程中未曾见过的数据，因此测试集上的性能评估更接近模型在真实场景中的表现。测试集应完全独立于训练集和验证集，确保评估不受过拟合或过度调整的影响。

# 训练循环
num_epochs = 0
consecutive_f1_count = 0while num_epochs < 50:print(f'第{num_epochs+1}次训练开始了')vgg16_model.train()  # 设置模型为训练模式train_loss = 0.0for inputs, labels in train_loader:inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)# 将数据传递给模型outputs = vgg16_model(inputs)# 计算损失loss = criterion(outputs, labels)# 反向传播和优化optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()train_loss += loss.item()avg_train_loss = train_loss / len(train_loader)# 打印训练过程中的损失和验证损失print(f'Epoch [{num_epochs+1}], 第{num_epochs+1}轮：训练集损失: {avg_train_loss:.4f}')# 在模型训练完后，使用测试集进行最终评估vgg16_model.eval()all_predictions = []all_labels = []start_time = time.time()  # 记录开始时间with torch.no_grad():for inputs, labels in test_loader:inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)# 在测试集上进行推理outputs = vgg16_model(inputs)# 将预测结果和真实标签保存_, predicted = torch.max(outputs, 1)all_predictions.extend(predicted.cpu().numpy())all_labels.extend(labels.cpu().numpy())end_time = time.time()  # 记录结束时间elapsed_time = end_time - start_timeprint(f'测试集用的时间为: {elapsed_time:.2f} seconds')# 计算F1分数f1 = f1_score(all_labels, all_predictions, average='binary')  # 适用于二分类问题# 打印每轮的测试F1分数print(f'第{num_epochs+1}轮的测试F1分数: {f1:.4f}')# 调整学习率scheduler.step(f1)# 增加训练次数num_epochs += 1