【深度學(xué)習(xí)系列】PaddlePaddle之手寫數(shù)字識別
作者：Charlotte77
上周在搜索關(guān)于深度學(xué)習(xí)分布式運行方式的資料時，無意間搜到了paddlepaddle，發(fā)現(xiàn)這個框架的分布式訓(xùn)練方案做的還挺不錯的，想跟大家分享一下。
上周在搜索關(guān)于深度學(xué)習(xí)分布式運行方式的資料時，無意間搜到了paddlepaddle，發(fā)現(xiàn)這個框架的分布式訓(xùn)練方案做的還挺不錯的，想跟大家分享一下。不過呢，這塊內(nèi)容太復(fù)雜了，所以就簡單的介紹一下paddlepaddle的***個“hello word”程序----mnist手寫數(shù)字識別。下一次再介紹用PaddlePaddle做分布式訓(xùn)練的方案。其實之前也寫過一篇用CNN識別手寫數(shù)字集的文章（鏈接戳這里~），是用keras實現(xiàn)的，這次用了paddlepaddle后，正好可以簡單對比一下兩個框架的優(yōu)劣。
什么是PaddlePaddle？
PaddlePaddle是百度推出的一個深度學(xué)習(xí)框架，可能大多數(shù)人平常用的比較多的一般是tensorflow，caffe，mxnet等，但其實PaddlePaddle也是一個非常不錯的框架（據(jù)說以前叫Paddle，現(xiàn)在改名叫PaddlePaddle，不知道為啥總覺得有股莫名的萌點）
PaddlePaddle能做什么?
傳統(tǒng)的基本都能做，尤其對NLP的支持很好，譬如情感分析，word embedding，語言模型等，反正你想得到的，常見的都可以用它來試一試~
PaddlePaddle的安裝
不得不吐槽一下PaddlePaddle的安裝，官網(wǎng)上說“PaddlePaddle目前唯一官方支持的運行的方式是Docker容器”，而docker其實在國內(nèi)還并不是特別的流行，之前遇到的所有的框架，都有很多種安裝方式，非常方便，所以這個唯一支持docker讓人覺得非常詭異 = =！不過偶然試了一下，居然可以用pip install，不過為啥官網(wǎng)上沒有寫呢？所以，對于新手來說，最簡單的安裝方式就是：
- CPU版本安裝
pip install paddlepaddle
- GPU版本安裝
pip install paddlepaddle-gpu
用PaddlePaddle實現(xiàn)手寫數(shù)字識別
訓(xùn)練步驟
傳統(tǒng)的方式這次就不展開講了，為了對比我們還是用CNN來進行訓(xùn)練。PaddlePaddle訓(xùn)練一次模型完整的過程可以如下幾個步驟：
導(dǎo)入數(shù)據(jù)---->定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)---->訓(xùn)練模型---->保存模型---->測試結(jié)果
下面，我直接用代碼來展示訓(xùn)練的過程（以后代碼都會放在github里）：
#coding:utf-8
import os
from PIL import Image
import numpy as np
import paddle.v2 as paddle
# 設(shè)置是否用gpu，0為否，1為是
with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '0') != '1'
# 定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
def convolutional_neural_network_org(img):
# ***層卷積層
conv_pool_1 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
input=img,
filter_size=5,
num_filters=20,
num_channel=1,
pool_size=2,
pool_stride=2,
act=paddle.activation.Relu())
# 第二層卷積層
conv_pool_2 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
input=conv_pool_1,
filter_size=5,
num_filters=50,
num_channel=20,
pool_size=2,
pool_stride=2,
act=paddle.activation.Relu())
# 全連接層
predict = paddle.layer.fc(
input=conv_pool_2, size=10, act=paddle.activation.Softmax())
return predict
def main():
# 初始化定義跑模型的設(shè)備
paddle.init(use_gpu=with_gpu, trainer_count=1)
# 讀取數(shù)據(jù)
images = paddle.layer.data(
name='pixel', type=paddle.data_type.dense_vector(784))
label = paddle.layer.data(
name='label', type=paddle.data_type.integer_value(10))
# 調(diào)用之前定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
predict = convolutional_neural_network_org(images)
# 定義損失函數(shù)
cost = paddle.layer.classification_cost(input=predict, label=label)
# 指定訓(xùn)練相關(guān)的參數(shù)
parameters = paddle.parameters.create(cost)
# 定義訓(xùn)練方法
optimizer = paddle.optimizer.Momentum(
learning_rate=0.1 / 128.0,
momentum=0.9,
regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=0.0005 * 128))
# 訓(xùn)練模型
trainer = paddle.trainer.SGD(
cost=cost, parameters=parameters, update_equation=optimizer)
lists = []
# 定義event_handler，輸出訓(xùn)練過程中的結(jié)果
def event_handler(event):
if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
if event.batch_id % 100 == 0:
print "Pass %d, Batch %d, Cost %f, %s" % (
event.pass_id, event.batch_id, event.cost, event.metrics)
if isinstance(event, paddle.event.EndPass):
# 保存參數(shù)
with open('params_pass_%d.tar' % event.pass_id, 'w') as f:
parameters.to_tar(f)
result = trainer.test(reader=paddle.batch(
paddle.dataset.mnist.test(), batch_size=128))
print "Test with Pass %d, Cost %f, %s\n" % (
event.pass_id, result.cost, result.metrics)
lists.append((event.pass_id, result.cost,
result.metrics['classification_error_evaluator']))
trainer.train(
reader=paddle.batch(
paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.mnist.train(), buf_size=8192),
batch_size=128),
event_handler=event_handler,
num_passes=10)
# 找到訓(xùn)練誤差最小的一次結(jié)果
best = sorted(lists, key=lambda list: float(list[1]))[0]
print 'Best pass is %s, testing Avgcost is %s' % (best[0], best[1])
print 'The classification accuracy is %.2f%%' % (100 - float(best[2]) * 100)
# 加載數(shù)據(jù)
def load_image(file):
im = Image.open(file).convert('L')
im = im.resize((28, 28), Image.ANTIALIAS)
im = np.array(im).astype(np.float32).flatten()
im = im / 255.0
return im
# 測試結(jié)果
test_data = []
cur_dir = os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))
test_data.append((load_image(cur_dir + '/image/infer_3.png'), ))
probs = paddle.infer(
output_layer=predict, parameters=parameters, input=test_data)
lab = np.argsort(-probs) # probs and lab are the results of one batch data
print "Label of image/infer_3.png is: %d" % lab[0][0]
if __name__ == '__main__':
main()
BaseLine版本
首先我用了官網(wǎng)給出的例子，直接用最基本的CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練了一下，代碼如下:
1 def convolutional_neural_network_org(img): 2 # ***層卷積層 3 conv_pool_1 = paddle.networks.simple_img_conv_pool( 4 input=img, 5 filter_size=5, 6 num_filters=20, 7 num_channel=1, 8 pool_size=2, 9 pool_stride=2, 10 act=paddle.activation.Relu()) 11 # 第二層卷積層 12 conv_pool_2 = paddle.networks.simple_img_conv_pool( 13 input=conv_pool_1, 14 filter_size=5, 15 num_filters=50, 16 num_channel=20, 17 pool_size=2, 18 pool_stride=2, 19 act=paddle.activation.Relu()) 20 # 全連接層 21 predict = paddle.layer.fc( 22 input=conv_pool_2, size=10, act=paddle.activation.Softmax()) 23 return predict
輸出結(jié)果如下:
I1023 13:45:46.519075 34144 Util.cpp:166] commandline: --use_gpu=True --trainer_count=1
[INFO 2017-10-23 13:45:52,667 layers.py:2539] output for __conv_pool_0___conv: c = 20, h = 24, w = 24, size = 11520
[INFO 2017-10-23 13:45:52,667 layers.py:2667] output for __conv_pool_0___pool: c = 20, h = 12, w = 12, size = 2880
[INFO 2017-10-23 13:45:52,668 layers.py:2539] output for __conv_pool_1___conv: c = 50, h = 8, w = 8, size = 3200
[INFO 2017-10-23 13:45:52,669 layers.py:2667] output for __conv_pool_1___pool: c = 50, h = 4, w = 4, size = 800
I1023 13:45:52.675750 34144 GradientMachine.cpp:85] Initing parameters..
I1023 13:45:52.686153 34144 GradientMachine.cpp:92] Init parameters done.
Pass 0, Batch 0, Cost 3.048408, {'classification_error_evaluator': 0.890625}
Pass 0, Batch 100, Cost 0.188828, {'classification_error_evaluator': 0.0546875}
Pass 0, Batch 200, Cost 0.075183, {'classification_error_evaluator': 0.015625}
Pass 0, Batch 300, Cost 0.070798, {'classification_error_evaluator': 0.015625}
Pass 0, Batch 400, Cost 0.079673, {'classification_error_evaluator': 0.046875}
Test with Pass 0, Cost 0.074587, {'classification_error_evaluator': 0.023800000548362732}
```
```
```
Pass 4, Batch 0, Cost 0.032454, {'classification_error_evaluator': 0.015625}
Pass 4, Batch 100, Cost 0.021028, {'classification_error_evaluator': 0.0078125}
Pass 4, Batch 200, Cost 0.020458, {'classification_error_evaluator': 0.0}
Pass 4, Batch 300, Cost 0.046728, {'classification_error_evaluator': 0.015625}
Pass 4, Batch 400, Cost 0.030264, {'classification_error_evaluator': 0.015625}
Test with Pass 4, Cost 0.035841, {'classification_error_evaluator': 0.01209999993443489}
Best pass is 4, testing Avgcost is 0.0358410408473
The classification accuracy is 98.79%
Label of image/infer_3.png is: 3
real 0m31.565s
user 0m20.996s
sys 0m15.891s
可以看到，***行輸出選擇的設(shè)備是否是gpu，這里我選擇的是gpu，所以等于1，如果是cpu，就是0。接下來四行輸出的是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后開始輸出訓(xùn)練結(jié)果，訓(xùn)練結(jié)束，我們把這幾次迭代中誤差最小的結(jié)果輸出來，98.79%，效果還是很不錯的，畢竟只迭代了5次。***看一下輸出時間，非?？?，約31秒。然而這個結(jié)果我并不是特別滿意，因為之前用keras做的時候調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練往后準確率能夠達到99.72%，不過速度非常慢，迭代69次大概需要30分鐘左右，所以我覺得這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還是可以改進一下的，所以我對這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改進了一下，請看改進版
改進版
def convolutional_neural_network(img):
# ***層卷積層
conv_pool_1 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
input=img,
filter_size=5,
num_filters=20,
num_channel=1,
pool_size=2,
pool_stride=2,
act=paddle.activation.Relu())
# 加一層dropout層
drop_1 = paddle.layer.dropout(input=conv_pool_1, dropout_rate=0.2)
# 第二層卷積層
conv_pool_2 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
input=drop_1,
filter_size=5,
num_filters=50,
num_channel=20,
pool_size=2,
pool_stride=2,
act=paddle.activation.Relu())
# 加一層dropout層
drop_2 = paddle.layer.dropout(input=conv_pool_2, dropout_rate=0.5)
# 全連接層
fc1 = paddle.layer.fc(input=drop_2, size=10, act=paddle.activation.Linear())
bn = paddle.layer.batch_norm(input=fc1,act=paddle.activation.Relu(),
layer_attr=paddle.attr.Extra(drop_rate=0.2))
predict = paddle.layer.fc(input=bn, size=10, act=paddle.activation.Softmax())
return predict
在改進版里我們加了一些dropout層來避免過擬合。分別在***層卷積層和第二層卷積層后加了dropout，閾值設(shè)為0.5。改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也非常簡單，直接在定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)函數(shù)里對模型進行修改即可，這一點其實和keras的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定義方式還是挺像的，易用性很高。下面來看看效果：
I1023 14:01:51.653827 34244 Util.cpp:166] commandline: --use_gpu=True --trainer_count=1
[INFO 2017-10-23 14:01:57,830 layers.py:2539] output for __conv_pool_0___conv: c = 20, h = 24, w = 24, size = 11520
[INFO 2017-10-23 14:01:57,831 layers.py:2667] output for __conv_pool_0___pool: c = 20, h = 12, w = 12, size = 2880
[INFO 2017-10-23 14:01:57,832 layers.py:2539] output for __conv_pool_1___conv: c = 50, h = 8, w = 8, size = 3200
[INFO 2017-10-23 14:01:57,833 layers.py:2667] output for __conv_pool_1___pool: c = 50, h = 4, w = 4, size = 800
I1023 14:01:57.842871 34244 GradientMachine.cpp:85] Initing parameters..
I1023 14:01:57.854014 34244 GradientMachine.cpp:92] Init parameters done.
Pass 0, Batch 0, Cost 2.536199, {'classification_error_evaluator': 0.875}
Pass 0, Batch 100, Cost 1.668236, {'classification_error_evaluator': 0.515625}
Pass 0, Batch 200, Cost 1.024846, {'classification_error_evaluator': 0.375}
Pass 0, Batch 300, Cost 1.086315, {'classification_error_evaluator': 0.46875}
Pass 0, Batch 400, Cost 0.767804, {'classification_error_evaluator': 0.25}
Pass 0, Batch 500, Cost 0.545784, {'classification_error_evaluator': 0.1875}
Pass 0, Batch 600, Cost 0.731662, {'classification_error_evaluator': 0.328125}
```
```
```
Pass 49, Batch 0, Cost 0.415184, {'classification_error_evaluator': 0.09375}
Pass 49, Batch 100, Cost 0.067616, {'classification_error_evaluator': 0.0}
Pass 49, Batch 200, Cost 0.161415, {'classification_error_evaluator': 0.046875}
Pass 49, Batch 300, Cost 0.202667, {'classification_error_evaluator': 0.046875}
Pass 49, Batch 400, Cost 0.336043, {'classification_error_evaluator': 0.140625}
Pass 49, Batch 500, Cost 0.290948, {'classification_error_evaluator': 0.125}
Pass 49, Batch 600, Cost 0.223433, {'classification_error_evaluator': 0.109375}
Pass 49, Batch 700, Cost 0.217345, {'classification_error_evaluator': 0.0625}
Pass 49, Batch 800, Cost 0.163140, {'classification_error_evaluator': 0.046875}
Pass 49, Batch 900, Cost 0.203645, {'classification_error_evaluator': 0.078125}
Test with Pass 49, Cost 0.033639, {'classification_error_evaluator': 0.008100000210106373}
Best pass is 48, testing Avgcost is 0.0313018567383
The classification accuracy is 99.28%
Label of image/infer_3.png is: 3
real 5m3.151s
user 4m0.052s
sys 1m8.084s
從上面的數(shù)據(jù)來看，這個效果還是很不錯滴，對比之前用keras訓(xùn)練的效果來看，結(jié)果如下：
可以看到這個速度差異是很大的了，在準確率差不多的情況下，訓(xùn)練時間幾乎比原來縮短了六倍，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也相對簡單，說明需要調(diào)整的參數(shù)也少了很多。
總結(jié)
paddlepaddle用起來還是很方便的，不論是定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還是訓(xùn)練速度，都值得一提，然而我個人的體驗中，認為最值得說的是這幾點：
1. 導(dǎo)入數(shù)據(jù)方便。這次訓(xùn)練的手寫數(shù)字識別數(shù)據(jù)量比較小，但是如果想要添加數(shù)據(jù)，也非常方便，直接添加到相應(yīng)目錄下。
2. event_handler機制，可以自定義訓(xùn)練結(jié)果輸出內(nèi)容。之前用的keras，以及mxnet等都是已經(jīng)封裝好的函數(shù)，輸出信息都是一樣的，這里paddlepaddle把這個函數(shù)并沒有完全封裝，而是讓我們用戶自定義輸出的內(nèi)容，可以方便我們減少冗余的信息，增加一些模型訓(xùn)練的細節(jié)的輸出，也可以用相應(yīng)的函數(shù)畫出模型收斂的圖片，可視化收斂曲線。
3. 速度快。上面的例子已經(jīng)證明了paddlepaddle的速度，并且在提升速度的同時，模型準確度也與***結(jié)果相差不多，這對于我們訓(xùn)練海量數(shù)據(jù)的模型是一個極大的優(yōu)勢??！
然而，paddlepaddle也有幾點讓我用的有點難受，譬如文檔太少了啊，報錯了上網(wǎng)上搜沒啥結(jié)果啊等等，不過我覺得這個應(yīng)該不是大問題，以后用的人多了以后肯定相關(guān)資料也會更多。所以一直很疑惑，為啥paddlepaddle不火呢？安裝詭異是一個吐槽點，但其實還是很優(yōu)秀的一個開源軟件，尤其是最值得說的分布式訓(xùn)練方式，多機多卡的設(shè)計是非常優(yōu)秀的，本篇沒有講，下次講講如何用paddlepaddle做單機單卡，單機多卡，多機單卡和多機多卡的訓(xùn)練方式來訓(xùn)練模型，大家多多用起來呀~~可以多交流呀~
ps:由于paddlepaddle的文檔實在太少了，官網(wǎng)的文章理論介紹的比較多，網(wǎng)上的博文大多數(shù)都是幾個經(jīng)典例子來回跑，所以我打算寫個系列，跟實戰(zhàn)相關(guān)的，不再只有深度學(xué)習(xí)的“hello world”程序，這次用“hello world”做個引子，下篇開始寫點干貨哈哈~
責(zé)任編輯：張燕妮
來源：
www.cnblogs.com
