【深度學習系列】手寫數字識別實戰
上周在搜索關于深度學習分布式運行方式的資料時，無意間搜到了paddlepaddle，發現這個框架的分布式訓練方案做的還挺不錯的，想跟大家分享一下。不過呢，這塊內容太復雜了，所以就簡單的介紹一下paddlepaddle的第一個“hello word”程序----mnist手寫數字識別。下一次再介紹用PaddlePaddle做分布式訓練的方案。其實之前也寫過一篇用CNN識別手寫數字集的文章（鏈接戳這里~），是用keras實現的，這次用了paddlepaddle后，正好可以簡單對比一下兩個框架的優劣。
什么是PaddlePaddle？
PaddlePaddle是百度推出的一個深度學習框架，可能大多數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（據說以前叫Paddle，現在改名叫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實現手寫數字識別
訓練步驟
傳統的方式這次就不展開講了，為了對比我們還是用CNN來進行訓練。PaddlePaddle訓練一次模型完整的過程可以如下幾個步驟：
導入數據---->定義網絡結構---->訓練模型---->保存模型---->測試結果
下面，我直接用代碼來展示訓練的過程（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 # 設置是否用gpu，0為否，1為是 with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '0') != '1' # 定義網絡結構 def convolutional_neural_network_org(img): # 第一層卷積層 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備 paddle.init(use_gpu=with_gpu, trainer_count=1) # 讀取數據 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)) # 調用之前定義的網絡結構 predict = convolutional_neural_network_org(images) # 定義損失函數 cost = paddle.layer.classification_cost(input=predict, label=label) # 指定訓練相關的參數 parameters = paddle.parameters.create(cost) # 定義訓練方法 optimizer = paddle.optimizer.Momentum( learning_rate=0.1 / 128.0, momentum=0.9, regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=0.0005 * 128)) # 訓練模型 trainer = paddle.trainer.SGD( cost=cost, parameters=parameters, update_equation=optimizer) lists = [] # 定義event_handler，輸出訓練過程中的結果 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 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) # 找到訓練誤差最小的一次結果 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) # 加載數據 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
首先我用了官網給出的例子，直接用最基本的CNN網絡結構訓練了一下，代碼如下:
1 def convolutional_neural_network_org(img): 2 # 第一層卷積層 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，第一行輸出選擇的設備是否是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絡結構，然后開始輸出訓練結果，訓練結束，我們把這幾次迭代中誤差最小的結果輸出來，98.79%，效果還是很不錯的，畢竟只迭代了5次。最后看一下輸出時間，非常快，約31秒。然而這個結果我并不是特別滿意，因為之前用keras做的時候調整的網絡模型訓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，所以我覺得這個網絡結構還是可以改進一下的，所以我對這個網絡結構改進了一下，請看改進版
改進版
def convolutional_neural_network(img): # 第一層卷積層 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。分別在第一層卷積層和第二層卷積層后加了dropout，閾值設為0.5。改變網絡結構也非常簡單，直接在定義的網絡結構函數里對模型進行修改即可，這一點其實和keras的網絡結構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
從上面的數據來看，這個效果還是很不錯滴，對比之前用keras訓練的效果來看，結果如下：
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，訓練時間幾乎比原來縮短了六倍，網絡結構也相對簡單，說明需要調整的參數也少了很多。
總結
paddlepaddle用起來還是很方便的，不論是定義網絡結構還是訓練速度，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.導入數據方便。這次訓練的手寫數字識別數據量比較小，但是如果想要添加數據，也非常方便，直接添加到相應目錄下。
2.event_handler機制，可以自定義訓練結果輸出內容。之前用的keras，以及mxnet等都是已經封裝好的函數，輸出信息都是一樣的，這里paddlepaddle把這個函數并沒有完全封裝，而是讓我們用戶自定義輸出的內容，可以方便我們減少冗余的信息，增加一些模型訓練的細節的輸出，也可以用相應的函數畫出模型收斂的圖片，可視化收斂曲線。
3.速度快。上面的例子已經證明了paddlepaddle的速度，并且在提升速度的同時，模型準確度也與最優結果相差不多，這對于我們訓練海量數據的模型是一個極大的優勢啊！
然而，paddlepaddle也有幾點讓我用的有點難受，譬如文檔太少了啊，報錯了上網上搜沒啥結果啊等等，不過我覺得這個應該不是大問題，以后用的人多了以后肯定相關資料也會更多。所以一直很疑惑，為啥paddlepaddle不火呢？安裝詭異是一個吐槽點，但其實還是很優秀的一個開源軟件，尤其是最值得說的分布式訓練方式，多機多卡的設計是非常優秀的，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練方式來訓練模型，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，官網的文章理論介紹的比較多，網上的博文大多數都是幾個經典例子來回跑，所以我打算寫個系列，跟實戰相關的，不再只有深度學習的“hello world”程序，這次用“hello world”做個引子，下篇開始寫點干貨哈哈~
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