图像分类数据集¶

MNIST数据集是图像分类中广泛使用的数据集之一，但作为基准数据集过于简单。 我们将使用类似但更复杂的Fashion-MNIST数据集。

In [1]:

%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch.utils import data
from torchvision import transforms
from d2l import torch as d2l

d2l.use_svg_display()

%matplotlib inline import torch import torchvision from torch.utils import data from torchvision import transforms from d2l import torch as d2l d2l.use_svg_display()

3.5.1 读取数据集¶

我们可以通过框架中的内置函数将Fashion-MNIST数据集下载并读取到内存中。

In [2]:

# 通过ToTensor实例将图像数据从PIL类型变换成32位浮点数格式，
# 然后除以255使得所有像素的数值均在0～1之间
trans = transforms.ToTensor()
mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
    root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
    root="../data", train=False, transform=trans, download=True)

# 通过ToTensor实例将图像数据从PIL类型变换成32位浮点数格式， # 然后除以255使得所有像素的数值均在0～1之间 trans = transforms.ToTensor() mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST( root="../data", train=True, transform=trans, download=True) mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST( root="../data", train=False, transform=trans, download=True)

Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/train-images-idx3-ubyte.gz
Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/train-images-idx3-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz

100.0%

Extracting ../data/FashionMNIST/raw/train-images-idx3-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw

Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/train-labels-idx1-ubyte.gz
Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/train-labels-idx1-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz

100.0%

Extracting ../data/FashionMNIST/raw/train-labels-idx1-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw

Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/t10k-images-idx3-ubyte.gz
Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/t10k-images-idx3-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz

100.0%

Extracting ../data/FashionMNIST/raw/t10k-images-idx3-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw

Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/t10k-labels-idx1-ubyte.gz
Downloading http://fashion-mnist.s3-website.eu-central-1.amazonaws.com/t10k-labels-idx1-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz

100.0%

Extracting ../data/FashionMNIST/raw/t10k-labels-idx1-ubyte.gz to ../data/FashionMNIST/raw

Fashion-MNIST由10个类别的图像组成， 每个类别由训练数据集（train dataset）中的6000张图像 和测试数据集（test dataset）中的1000张图像组成。 因此，训练集和测试集分别包含60000和10000张图像。 测试数据集不会用于训练，只用于评估模型性能。

In [3]:

len(mnist_train), len(mnist_test)

len(mnist_train), len(mnist_test)

Out[3]:

(60000, 10000)

每个输入图像的高度和宽度均为28像素。 数据集由灰度图像组成，其通道数为1。 为了简洁起见，本书将高度$h$像素、宽度$w$像素图像的形状记为$h \times w$或（$h$,$w$）。

In [4]:

mnist_train[0][0].shape

mnist_train[0][0].shape

Out[4]:

torch.Size([1, 28, 28])

Fashion-MNIST中包含的10个类别，分别为t-shirt（T恤）、trouser（裤子）、pullover（套衫）、dress（连衣裙）、coat（外套）、sandal（凉鞋）、shirt（衬衫）、sneaker（运动鞋）、bag（包）和ankle boot（短靴）。 以下函数用于在数字标签索引及其文本名称之间进行转换。

In [5]:

def get_fashion_mnist_labels(labels):  #@save
    """返回Fashion-MNIST数据集的文本标签"""
    text_labels = ['t-shirt', 'trouser', 'pullover', 'dress', 'coat',
                   'sandal', 'shirt', 'sneaker', 'bag', 'ankle boot']
    return [text_labels[int(i)] for i in labels]

def get_fashion_mnist_labels(labels): #@save """返回Fashion-MNIST数据集的文本标签""" text_labels = ['t-shirt', 'trouser', 'pullover', 'dress', 'coat', 'sandal', 'shirt', 'sneaker', 'bag', 'ankle boot'] return [text_labels[int(i)] for i in labels]

我们现在可以创建一个函数来可视化这些样本。

In [6]:

def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5):  #@save
    """绘制图像列表"""
    figsize = (num_cols * scale, num_rows * scale)
    _, axes = d2l.plt.subplots(num_rows, num_cols, figsize=figsize)
    axes = axes.flatten()
    for i, (ax, img) in enumerate(zip(axes, imgs)):
        if torch.is_tensor(img):
            # 图片张量
            ax.imshow(img.numpy())
        else:
            # PIL图片
            ax.imshow(img)
        ax.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        ax.axes.get_yaxis().set_visible(False)
        if titles:
            ax.set_title(titles[i])
    return axes

def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5): #@save """绘制图像列表""" figsize = (num_cols * scale, num_rows * scale) _, axes = d2l.plt.subplots(num_rows, num_cols, figsize=figsize) axes = axes.flatten() for i, (ax, img) in enumerate(zip(axes, imgs)): if torch.is_tensor(img): # 图片张量 ax.imshow(img.numpy()) else: # PIL图片 ax.imshow(img) ax.axes.get_xaxis().set_visible(False) ax.axes.get_yaxis().set_visible(False) if titles: ax.set_title(titles[i]) return axes

以下是训练数据集中前几个样本的图像及其相应的标签。

In [9]:

X, y = next(iter(data.DataLoader(mnist_train, batch_size=18)))
show_images(X.reshape(18, 28, 28), 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y), scale=1.4);

X, y = next(iter(data.DataLoader(mnist_train, batch_size=18))) show_images(X.reshape(18, 28, 28), 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y), scale=1.4);

3.5.2 读取小批量¶

在每次迭代中，数据加载器每次都会读取一小批量数据，大小为batch_size。

In [10]:

batch_size = 256

def get_dataloader_workers():  #@save
    """使用4个进程来读取数据"""
    return 4

train_iter = data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                             num_workers=get_dataloader_workers())

batch_size = 256 def get_dataloader_workers(): #@save """使用4个进程来读取数据""" return 4 train_iter = data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True, num_workers=get_dataloader_workers())

我们看一下读取训练数据所需的时间。

In [11]:

timer = d2l.Timer()
for X, y in train_iter:
    continue
f'{timer.stop():.2f} sec'

timer = d2l.Timer() for X, y in train_iter: continue f'{timer.stop():.2f} sec'

Out[11]:

'1.17 sec'

3.5.3 整合所有组件¶

现在我们定义load_data_fashion_mnist函数，用于获取和读取Fashion-MNIST数据集。 这个函数返回训练集和验证集的数据迭代器。 此外，这个函数还接受一个可选参数resize，用来将图像大小调整为另一种形状。

In [12]:

def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None):  #@save
    """下载Fashion-MNIST数据集，然后将其加载到内存中"""
    trans = [transforms.ToTensor()]
    if resize:
        trans.insert(0, transforms.Resize(resize)) # 在转换列表 trans 的开头插入一个 Resize 转换
    trans = transforms.Compose(trans) # 使用 Compose 函数将转换列表 trans 组合成一个单一的转换对象
    mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
    mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data", train=False, transform=trans, download=True)
    return (data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                            num_workers=get_dataloader_workers()),
            data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False,
                            num_workers=get_dataloader_workers()))

def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None): #@save """下载Fashion-MNIST数据集，然后将其加载到内存中""" trans = [transforms.ToTensor()] if resize: trans.insert(0, transforms.Resize(resize)) # 在转换列表 trans 的开头插入一个 Resize 转换 trans = transforms.Compose(trans) # 使用 Compose 函数将转换列表 trans 组合成一个单一的转换对象 mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST( root="../data", train=True, transform=trans, download=True) mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST( root="../data", train=False, transform=trans, download=True) return (data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True, num_workers=get_dataloader_workers()), data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False, num_workers=get_dataloader_workers()))

下面，我们通过指定resize参数来测试load_data_fashion_mnist函数的图像大小调整功能。

In [15]:

train_iter, test_iter = load_data_fashion_mnist(32, resize=64)
for X, y in train_iter:
    print(X.shape, X.dtype, y.shape, y.dtype)
    break

train_iter, test_iter = load_data_fashion_mnist(32, resize=64) for X, y in train_iter: print(X.shape, X.dtype, y.shape, y.dtype) break

torch.Size([32, 1, 64, 64]) torch.float32 torch.Size([32]) torch.int64

我们现在已经准备好使用Fashion-MNIST数据集，便于下面的章节调用来评估各种分类算法。

小结¶

• Fashion-MNIST是一个服装分类数据集，由10个类别的图像组成。我们将在后续章节中使用此数据集来评估各种分类算法。
• 我们将高度$h$像素，宽度$w$像素图像的形状记为$h \times w$或（$h$,$w$）。
• 数据迭代器是获得更高性能的关键组件。依靠实现良好的数据迭代器，利用高性能计算来避免减慢训练过程。

练习¶

1. 减少batch_size（如减少到1）是否会影响读取性能？
2. 数据迭代器的性能非常重要。当前的实现足够快吗？探索各种选择来改进它。
3. 查阅框架的在线API文档。还有哪些其他数据集可用？

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