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# 图像分类

本教程源代码目录在[book/image_classification](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/03.image_classification),初次使用请您参考[Book文档使用说明](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/README.cn.md#运行这本书)。

### 说明: ###

1.硬件环境要求：
本文可支持在CPU、GPU下运行

2.Docker镜像支持的CUDA/cuDNN版本：
如果使用了Docker运行Book，请注意：这里所提供的默认镜像的GPU环境为 CUDA 8/cuDNN 5，对于NVIDIA Tesla V100等要求CUDA 9的 GPU，使用该镜像可能会运行失败。

3.文档和脚本中代码的一致性问题：
请注意：为使本文更加易读易用，我们拆分、调整了train.py的代码并放入本文。本文中代码与train.py的运行结果一致，可直接运行[train.py](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/train.py)进行验证。


## 背景介绍

图像相比文字能够提供更加生动、容易理解及更具艺术感的信息，是人们转递与交换信息的重要来源。在本教程中，我们专注于图像识别领域的一个重要问题，即图像分类。

图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来，是计算机视觉中重要的基本问题，也是图像检测、图像分割、物体跟踪、行为分析等其他高层视觉任务的基础。图像分类在很多领域有广泛应用，包括安防领域的人脸识别和智能视频分析等，交通领域的交通场景识别，互联网领域基于内容的图像检索和相册自动归类，医学领域的图像识别等。


一般来说，图像分类通过手工提取特征或特征学习方法对整个图像进行全部描述，然后使用分类器判别物体类别，因此如何提取图像的特征至关重要。在深度学习算法之前使用较多的是基于词袋(Bag of Words)模型的物体分类方法。词袋方法从自然语言处理中引入，即一句话可以用一个装了词的袋子表示其特征，袋子中的词为句子中的单词、短语或字。对于图像而言，词袋方法需要构建字典。最简单的词袋模型框架可以设计为**底层特征抽取**、**特征编码**、**分类器设计**三个过程。

而基于深度学习的图像分类方法，可以通过有监督或无监督的方式**学习**层次化的特征描述，从而取代了手工设计或选择图像特征的工作。深度学习模型中的卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)近年来在图像领域取得了惊人的成绩，CNN直接利用图像像素信息作为输入，最大程度上保留了输入图像的所有信息，通过卷积操作进行特征的提取和高层抽象，模型输出直接是图像识别的结果。这种基于"输入-输出"直接端到端的学习方法取得了非常好的效果，得到了广泛的应用。

本教程主要介绍图像分类的深度学习模型，以及如何使用PaddlePaddle训练CNN模型。

## 效果展示

图像分类包括通用图像分类、细粒度图像分类等。图1展示了通用图像分类效果，即模型可以正确识别图像上的主要物体。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/dog_cat.png?raw=true"  width="350" ><br/>
图1. 通用图像分类展示
</p>


图2展示了细粒度图像分类-花卉识别的效果，要求模型可以正确识别花的类别。


<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/flowers.png?raw=true" width="400" ><br/>
图2. 细粒度图像分类展示
</p>


一个好的模型既要对不同类别识别正确，同时也应该能够对不同视角、光照、背景、变形或部分遮挡的图像正确识别(这里我们统一称作图像扰动)。图3展示了一些图像的扰动，较好的模型会像聪明的人类一样能够正确识别。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/variations.png?raw=true" width="550" ><br/>
图3. 扰动图片展示[22]
</p>

## 模型概览

图像识别领域大量的研究成果都是建立在[PASCAL VOC](http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/)、[ImageNet](http://image-net.org/)等公开的数据集上，很多图像识别算法通常在这些数据集上进行测试和比较。PASCAL VOC是2005年发起的一个视觉挑战赛，ImageNet是2010年发起的大规模视觉识别竞赛(ILSVRC)的数据集，在本章中我们基于这些竞赛的一些论文介绍图像分类模型。

在2012年之前的传统图像分类方法可以用背景描述中提到的三步完成，但通常完整建立图像识别模型一般包括底层特征学习、特征编码、空间约束、分类器设计、模型融合等几个阶段。

  1). **底层特征提取**: 通常从图像中按照固定步长、尺度提取大量局部特征描述。常用的局部特征包括SIFT(Scale-Invariant Feature Transform, 尺度不变特征转换) \[[1](#参考文献)\]、HOG(Histogram of Oriented Gradient, 方向梯度直方图) \[[2](#参考文献)\]、LBP(Local Bianray Pattern, 局部二值模式) \[[3](#参考文献)\] 等，一般也采用多种特征描述，防止丢失过多的有用信息。

  2). **特征编码**: 底层特征中包含了大量冗余与噪声，为了提高特征表达的鲁棒性，需要使用一种特征变换算法对底层特征进行编码，称作特征编码。常用的特征编码方法包括向量量化编码 \[[4](#参考文献)\]、稀疏编码 \[[5](#参考文献)\]、局部线性约束编码 \[[6](#参考文献)\]、Fisher向量编码 \[[7](#参考文献)\] 等。

  3). **空间特征约束**: 特征编码之后一般会经过空间特征约束，也称作**特征汇聚**。特征汇聚是指在一个空间范围内，对每一维特征取最大值或者平均值，可以获得一定特征不变形的特征表达。金字塔特征匹配是一种常用的特征汇聚方法，这种方法提出将图像均匀分块，在分块内做特征汇聚。

  4). **通过分类器分类**: 经过前面步骤之后一张图像可以用一个固定维度的向量进行描述，接下来就是经过分类器对图像进行分类。通常使用的分类器包括SVM(Support Vector Machine, 支持向量机)、随机森林等。而使用核方法的SVM是最为广泛的分类器，在传统图像分类任务上性能很好。

这种传统的图像分类方法在PASCAL VOC竞赛中的图像分类算法中被广泛使用 \[[18](#参考文献)\]。[NEC实验室](http://www.nec-labs.com/)在ILSVRC2010中采用SIFT和LBP特征，两个非线性编码器以及SVM分类器获得图像分类的冠军 \[[8](#参考文献)\]。

Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得了历史性的突破，效果大幅度超越传统方法，获得了ILSVRC2012冠军，该模型被称作AlexNet。这也是首次将深度学习用于大规模图像分类中。从AlexNet之后，涌现了一系列CNN模型，不断地在ImageNet上刷新成绩，如图4展示。随着模型变得越来越深以及精妙的结构设计，Top-5的错误率也越来越低，降到了3.5%附近。而在同样的ImageNet数据集上，人眼的辨识错误率大概在5.1%，也就是目前的深度学习模型的识别能力已经超过了人眼。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/ilsvrc.png?raw=true" width="500" ><br/>
图4. ILSVRC图像分类Top-5错误率
</p>

### CNN

传统CNN包含卷积层、全连接层等组件，并采用softmax多类别分类器和多类交叉熵损失函数，一个典型的卷积神经网络如图5所示，我们先介绍用来构造CNN的常见组件。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/lenet.png?raw=true"><br/>
图5. CNN网络示例[20]
</p>

- 卷积层(convolution layer): 执行卷积操作提取底层到高层的特征，发掘出图片局部关联性质和空间不变性质。
- 池化层(pooling layer): 执行降采样操作。通过取卷积输出特征图中局部区块的最大值(max-pooling)或者均值(avg-pooling)。降采样也是图像处理中常见的一种操作，可以过滤掉一些不重要的高频信息。
- 全连接层(fully-connected layer，或者fc layer): 输入层到隐藏层的神经元是全部连接的。
- 非线性变化: 卷积层、全连接层后面一般都会接非线性变化函数，例如Sigmoid、Tanh、ReLu等来增强网络的表达能力，在CNN里最常使用的为ReLu激活函数。
- Dropout \[[10](#参考文献)\] : 在模型训练阶段随机让一些隐层节点权重不工作，提高网络的泛化能力，一定程度上防止过拟合。

另外，在训练过程中由于每层参数不断更新，会导致下一次输入分布发生变化，这样导致训练过程需要精心设计超参数。如2015年Sergey Ioffe和Christian Szegedy提出了Batch Normalization (BN)算法 \[[14](#参考文献)\] 中，每个batch对网络中的每一层特征都做归一化，使得每层分布相对稳定。BN算法不仅起到一定的正则作用，而且弱化了一些超参数的设计。经过实验证明，BN算法加速了模型收敛过程，在后来较深的模型中被广泛使用。

接下来我们主要介绍VGG，GoogLeNet和ResNet网络结构。

### VGG

牛津大学VGG(Visual Geometry Group)组在2014年ILSVRC提出的模型被称作VGG模型 \[[11](#参考文献)\] 。该模型相比以往模型进一步加宽和加深了网络结构，它的核心是五组卷积操作，每两组之间做Max-Pooling空间降维。同一组内采用多次连续的3X3卷积，卷积核的数目由较浅组的64增多到最深组的512，同一组内的卷积核数目是一样的。卷积之后接两层全连接层，之后是分类层。由于每组内卷积层的不同，有11、13、16、19层这几种模型，下图展示一个16层的网络结构。VGG模型结构相对简洁，提出之后也有很多文章基于此模型进行研究，如在ImageNet上首次公开超过人眼识别的模型\[[19](#参考文献)\]就是借鉴VGG模型的结构。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/vgg16.png?raw=true" width="750" ><br/>
图6. 基于ImageNet的VGG16模型
</p>

### GoogLeNet

GoogLeNet \[[12](#参考文献)\] 在2014年ILSVRC的获得了冠军，在介绍该模型之前我们先来了解NIN(Network in Network)模型 \[[13](#参考文献)\] 和Inception模块，因为GoogLeNet模型由多组Inception模块组成，模型设计借鉴了NIN的一些思想。

NIN模型主要有两个特点：

1) 引入了多层感知卷积网络(Multi-Layer Perceptron Convolution, MLPconv)代替一层线性卷积网络。MLPconv是一个微小的多层卷积网络，即在线性卷积后面增加若干层1x1的卷积，这样可以提取出高度非线性特征。

2) 传统的CNN最后几层一般都是全连接层，参数较多。而NIN模型设计最后一层卷积层包含类别维度大小的特征图，然后采用全局均值池化(Avg-Pooling)替代全连接层，得到类别维度大小的向量，再进行分类。这种替代全连接层的方式有利于减少参数。

Inception模块如下图7所示，图(a)是最简单的设计，输出是3个卷积层和一个池化层的特征拼接。这种设计的缺点是池化层不会改变特征通道数，拼接后会导致特征的通道数较大，经过几层这样的模块堆积后，通道数会越来越大，导致参数和计算量也随之增大。为了改善这个缺点，图(b)引入3个1x1卷积层进行降维，所谓的降维就是减少通道数，同时如NIN模型中提到的1x1卷积也可以修正线性特征。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/inception.png?raw=ture" width="800" ><br/>
图7. Inception模块
</p>

GoogLeNet由多组Inception模块堆积而成。另外，在网络最后也没有采用传统的多层全连接层，而是像NIN网络一样采用了均值池化层；但与NIN不同的是，GoogLeNet在池化层后加了一个全连接层来映射类别数。除了这两个特点之外，由于网络中间层特征也很有判别性，GoogLeNet在中间层添加了两个辅助分类器，在后向传播中增强梯度并且增强正则化，而整个网络的损失函数是这个三个分类器的损失加权求和。

GoogLeNet整体网络结构如图8所示，总共22层网络：开始由3层普通的卷积组成；接下来由三组子网络组成，第一组子网络包含2个Inception模块，第二组包含5个Inception模块，第三组包含2个Inception模块；然后接均值池化层、全连接层。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/googlenet.jpeg?raw=true" ><br/>
图8. GoogLeNet[12]
</p>


上面介绍的是GoogLeNet第一版模型(称作GoogLeNet-v1)。GoogLeNet-v2 \[[14](#参考文献)\] 引入BN层；GoogLeNet-v3 \[[16](#参考文献)\] 对一些卷积层做了分解，进一步提高网络非线性能力和加深网络；GoogLeNet-v4 \[[17](#参考文献)\] 引入下面要讲的ResNet设计思路。从v1到v4每一版的改进都会带来准确度的提升，介于篇幅，这里不再详细介绍v2到v4的结构。


### ResNet

ResNet(Residual Network) \[[15](#参考文献)\] 是2015年ImageNet图像分类、图像物体定位和图像物体检测比赛的冠军。针对随着网络训练加深导致准确度下降的问题，ResNet提出了残差学习方法来减轻训练深层网络的困难。在已有设计思路(BN, 小卷积核，全卷积网络)的基础上，引入了残差模块。每个残差模块包含两条路径，其中一条路径是输入特征的直连通路，另一条路径对该特征做两到三次卷积操作得到该特征的残差，最后再将两条路径上的特征相加。

残差模块如图9所示，左边是基本模块连接方式，由两个输出通道数相同的3x3卷积组成。右边是瓶颈模块(Bottleneck)连接方式，之所以称为瓶颈，是因为上面的1x1卷积用来降维(图示例即256->64)，下面的1x1卷积用来升维(图示例即64->256)，这样中间3x3卷积的输入和输出通道数都较小(图示例即64->64)。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/resnet_block.jpg?raw=true" width="400"><br/>
图9. 残差模块
</p>

图10展示了50、101、152层网络连接示意图，使用的是瓶颈模块。这三个模型的区别在于每组中残差模块的重复次数不同(见图右上角)。ResNet训练收敛较快，成功的训练了上百乃至近千层的卷积神经网络。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/resnet.png?raw=true"><br/>
图10. 基于ImageNet的ResNet模型
</p>


## 数据准备

通用图像分类公开的标准数据集常用的有[CIFAR](https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html)、[ImageNet](http://image-net.org/)、[COCO](http://mscoco.org/)等，常用的细粒度图像分类数据集包括[CUB-200-2011](http://www.vision.caltech.edu/visipedia/CUB-200-2011.html)、[Stanford Dog](http://vision.stanford.edu/aditya86/ImageNetDogs/)、[Oxford-flowers](http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/flowers/)等。其中ImageNet数据集规模相对较大，如[模型概览](#模型概览)一章所讲，大量研究成果基于ImageNet。ImageNet数据从2010年来稍有变化，常用的是ImageNet-2012数据集，该数据集包含1000个类别：训练集包含1,281,167张图片，每个类别数据732至1300张不等，验证集包含50,000张图片，平均每个类别50张图片。

由于ImageNet数据集较大，下载和训练较慢，为了方便大家学习，我们使用[CIFAR10](<https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html>)数据集。CIFAR10数据集包含60,000张32x32的彩色图片，10个类别，每个类包含6,000张。其中50,000张图片作为训练集，10000张作为测试集。图11从每个类别中随机抽取了10张图片，展示了所有的类别。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/cifar.png?raw=true" width="350"><br/>
图11. CIFAR10数据集[21]
</p>

Paddle API提供了自动加载cifar数据集模块 `paddle.dataset.cifar`。

通过输入`python train.py`，就可以开始训练模型了，以下小节将详细介绍`train.py`的相关内容。

### 模型结构

#### Paddle 初始化

让我们从导入 Paddle Fluid API 和辅助模块开始。

```python
import paddle
import paddle.fluid as fluid
import numpy
import sys
from __future__ import print_function

```

本教程中我们提供了VGG和ResNet两个模型的配置。

### VGG

首先介绍VGG模型结构，由于CIFAR10图片大小和数量相比ImageNet数据小很多，因此这里的模型针对CIFAR10数据做了一定的适配。卷积部分引入了BN和Dropout操作。
VGG核心模块的输入是数据层，`vgg_bn_drop` 定义了16层VGG结构，每层卷积后面引入BN层和Dropout层，详细的定义如下：

```python
def vgg_bn_drop(input):
    def conv_block(ipt, num_filter, groups, dropouts):
        return fluid.nets.img_conv_group(
            input=ipt,
            pool_size=2,
            pool_stride=2,
            conv_num_filter=[num_filter] * groups,
            conv_filter_size=3,
            conv_act='relu',
            conv_with_batchnorm=True,
            conv_batchnorm_drop_rate=dropouts,
            pool_type='max')

    conv1 = conv_block(input, 64, 2, [0.3, 0])
    conv2 = conv_block(conv1, 128, 2, [0.4, 0])
    conv3 = conv_block(conv2, 256, 3, [0.4, 0.4, 0])
    conv4 = conv_block(conv3, 512, 3, [0.4, 0.4, 0])
    conv5 = conv_block(conv4, 512, 3, [0.4, 0.4, 0])

    drop = fluid.layers.dropout(x=conv5, dropout_prob=0.5)
    fc1 = fluid.layers.fc(input=drop, size=512, act=None)
    bn = fluid.layers.batch_norm(input=fc1, act='relu')
    drop2 = fluid.layers.dropout(x=bn, dropout_prob=0.5)
    fc2 = fluid.layers.fc(input=drop2, size=512, act=None)
    predict = fluid.layers.fc(input=fc2, size=10, act='softmax')
    return predict
```


1. 首先定义了一组卷积网络，即conv_block。卷积核大小为3x3，池化窗口大小为2x2，窗口滑动大小为2，groups决定每组VGG模块是几次连续的卷积操作，dropouts指定Dropout操作的概率。所使用的`img_conv_group`是在`paddle.nets`中预定义的模块，由若干组 Conv->BN->ReLu->Dropout 和 一组 Pooling 组成。

2. 五组卷积操作，即 5个conv_block。 第一、二组采用两次连续的卷积操作。第三、四、五组采用三次连续的卷积操作。每组最后一个卷积后面Dropout概率为0，即不使用Dropout操作。

3. 最后接两层512维的全连接。

4. 在这里，VGG网络首先提取高层特征，随后在全连接层中将其映射到和类别维度大小一致的向量上，最后通过Softmax方法计算图片划为每个类别的概率。

### ResNet

ResNet模型的第1、3、4步和VGG模型相同，这里不再介绍。主要介绍第2步即CIFAR10数据集上ResNet核心模块。

先介绍`resnet_cifar10`中的一些基本函数，再介绍网络连接过程。

  - `conv_bn_layer` : 带BN的卷积层。
  - `shortcut` : 残差模块的"直连"路径，"直连"实际分两种形式：残差模块输入和输出特征通道数不等时，采用1x1卷积的升维操作；残差模块输入和输出通道相等时，采用直连操作。
  - `basicblock` : 一个基础残差模块，即图9左边所示，由两组3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。
  - `layer_warp` : 一组残差模块，由若干个残差模块堆积而成。每组中第一个残差模块滑动窗口大小与其他可以不同，以用来减少特征图在垂直和水平方向的大小。

```python
def conv_bn_layer(input,
                  ch_out,
                  filter_size,
                  stride,
                  padding,
                  act='relu',
                  bias_attr=False):
    tmp = fluid.layers.conv2d(
        input=input,
        filter_size=filter_size,
        num_filters=ch_out,
        stride=stride,
        padding=padding,
        act=None,
        bias_attr=bias_attr)
    return fluid.layers.batch_norm(input=tmp, act=act)


def shortcut(input, ch_in, ch_out, stride):
    if ch_in != ch_out:
        return conv_bn_layer(input, ch_out, 1, stride, 0, None)
    else:
        return input


def basicblock(input, ch_in, ch_out, stride):
    tmp = conv_bn_layer(input, ch_out, 3, stride, 1)
    tmp = conv_bn_layer(tmp, ch_out, 3, 1, 1, act=None, bias_attr=True)
    short = shortcut(input, ch_in, ch_out, stride)
    return fluid.layers.elementwise_add(x=tmp, y=short, act='relu')


def layer_warp(block_func, input, ch_in, ch_out, count, stride):
    tmp = block_func(input, ch_in, ch_out, stride)
    for i in range(1, count):
        tmp = block_func(tmp, ch_out, ch_out, 1)
    return tmp
```

`resnet_cifar10` 的连接结构主要有以下几个过程。

1. 底层输入连接一层 `conv_bn_layer`，即带BN的卷积层。

2. 然后连接3组残差模块即下面配置3组 `layer_warp` ，每组采用图 10 左边残差模块组成。

3. 最后对网络做均值池化并返回该层。

注意：除第一层卷积层和最后一层全连接层之外，要求三组 `layer_warp` 总的含参层数能够被6整除，即 `resnet_cifar10` 的 depth 要满足(depth-2)%6=0 。

```python
def resnet_cifar10(ipt, depth=32):
    # depth should be one of 20, 32, 44, 56, 110, 1202
    assert (depth - 2) % 6 == 0
    n = (depth - 2) // 6
    nStages = {16, 64, 128}
    conv1 = conv_bn_layer(ipt, ch_out=16, filter_size=3, stride=1, padding=1)
    res1 = layer_warp(basicblock, conv1, 16, 16, n, 1)
    res2 = layer_warp(basicblock, res1, 16, 32, n, 2)
    res3 = layer_warp(basicblock, res2, 32, 64, n, 2)
    pool = fluid.layers.pool2d(
        input=res3, pool_size=8, pool_type='avg', pool_stride=1)
    predict = fluid.layers.fc(input=pool, size=10, act='softmax')
    return predict
```

## Infererence Program 配置

网络输入定义为 `data_layer` (数据层)，在图像分类中即为图像像素信息。CIFRAR10是RGB 3通道32x32大小的彩色图，因此输入数据大小为3072(3x32x32)。

```python
def inference_program():
    # The image is 32 * 32 with RGB representation.
    data_shape = [3, 32, 32]
    images = fluid.layers.data(name='pixel', shape=data_shape, dtype='float32')

    predict = resnet_cifar10(images, 32)
    # predict = vgg_bn_drop(images) # un-comment to use vgg net
    return predict
```

## Train Program 配置

然后我们需要设置训练程序 `train_program`。它首先从推理程序中进行预测。
在训练期间，它将从预测中计算 `avg_cost`。
在有监督训练中需要输入图像对应的类别信息，同样通过`fluid.layers.data`来定义。训练中采用多类交叉熵作为损失函数，并作为网络的输出，预测阶段定义网络的输出为分类器得到的概率信息。

**注意:** 训练程序应该返回一个数组，第一个返回参数必须是 `avg_cost`。训练器使用它来计算梯度。

```python
def train_program():
    predict = inference_program()

    label = fluid.layers.data(name='label', shape=[1], dtype='int64')
    cost = fluid.layers.cross_entropy(input=predict, label=label)
    avg_cost = fluid.layers.mean(cost)
    accuracy = fluid.layers.accuracy(input=predict, label=label)
    return [avg_cost, accuracy]
```

## Optimizer Function 配置

在下面的 `Adam optimizer`，`learning_rate` 是学习率，与网络的训练收敛速度有关系。

```python
def optimizer_program():
    return fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.001)
```

## 训练模型

### Data Feeders 配置

`cifar.train10()` 每次产生一条样本，在完成shuffle和batch之后，作为训练的输入。

```python
# Each batch will yield 128 images
BATCH_SIZE = 128

# Reader for training
train_reader = paddle.batch(
    paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.cifar.train10(), buf_size=50000),
    batch_size=BATCH_SIZE)

# Reader for testing. A separated data set for testing.
test_reader = paddle.batch(
    paddle.dataset.cifar.test10(), batch_size=BATCH_SIZE)
```

### Trainer 程序的实现
我们需要为训练过程制定一个main_program, 同样的，还需要为测试程序配置一个test_program。定义训练的 `place` ，并使用先前定义的优化器 `optimizer_program`。


```python
use_cuda = False
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace()

feed_order = ['pixel', 'label']

main_program = fluid.default_main_program()
star_program = fluid.default_startup_program()

avg_cost, acc = train_program()

# Test program
test_program = main_program.clone(for_test=True)

optimizer = optimizer_program()
optimizer.minimize(avg_cost)

exe = fluid.Executor(place)

EPOCH_NUM = 2

# For training test cost
def train_test(program, reader):
    count = 0
    feed_var_list = [
        program.global_block().var(var_name) for var_name in feed_order
    ]
    feeder_test = fluid.DataFeeder(
        feed_list=feed_var_list, place=place)
    test_exe = fluid.Executor(place)
    accumulated = len([avg_cost, acc]) * [0]
    for tid, test_data in enumerate(reader()):
        avg_cost_np = test_exe.run(program=program,
                                   feed=feeder_test.feed(test_data),
                                   fetch_list=[avg_cost, acc])
        accumulated = [x[0] + x[1][0] for x in zip(accumulated, avg_cost_np)]
        count += 1
    return [x / count for x in accumulated]
```

### 训练主循环以及过程输出

在接下来的主训练循环中，我们将通过输出来来观察训练过程，或进行测试等。

也可以使用`plot`, 利用回调数据来打点画图:

```python
params_dirname = "image_classification_resnet.inference.model"

from paddle.utils.plot import Ploter

train_prompt = "Train cost"
test_prompt = "Test cost"
plot_cost = Ploter(test_prompt,train_prompt)

# main train loop.
def train_loop():
    feed_var_list_loop = [
        main_program.global_block().var(var_name) for var_name in feed_order
    ]
    feeder = fluid.DataFeeder(
        feed_list=feed_var_list_loop, place=place)
    exe.run(star_program)

    step = 0
    for pass_id in range(EPOCH_NUM):
        for step_id, data_train in enumerate(train_reader()):
            avg_loss_value = exe.run(main_program,
                                     feed=feeder.feed(data_train),
                                     fetch_list=[avg_cost, acc])
            if step % 1 == 0:
                plot_cost.append(train_prompt, step, avg_loss_value[0])
                plot_cost.plot()
            step += 1

        avg_cost_test, accuracy_test = train_test(test_program,
                                                  reader=test_reader)
        plot_cost.append(test_prompt, step, avg_cost_test)

        # save parameters
        if params_dirname is not None:
            fluid.io.save_inference_model(params_dirname, ["pixel"],
                                          [predict], exe)
```

### 训练

通过`trainer_loop`函数训练, 这里我们只进行了2个Epoch, 一般我们在实际应用上会执行上百个以上Epoch

**注意:** CPU，每个 Epoch 将花费大约15～20分钟。这部分可能需要一段时间。请随意修改代码，在GPU上运行测试，以提高训练速度。

```python
train_loop()
```

一轮训练log示例如下所示，经过1个pass， 训练集上平均 Accuracy 为0.59 ，测试集上平均  Accuracy 为0.6 。

```text
Pass 0, Batch 0, Cost 3.869598, Acc 0.164062
...................................................................................................
Pass 100, Batch 0, Cost 1.481038, Acc 0.460938
...................................................................................................
Pass 200, Batch 0, Cost 1.340323, Acc 0.523438
...................................................................................................
Pass 300, Batch 0, Cost 1.223424, Acc 0.593750
..........................................................................................
Test with Pass 0, Loss 1.1, Acc 0.6
```

图13是训练的分类错误率曲线图，运行到第200个pass后基本收敛，最终得到测试集上分类错误率为8.54%。

<p align="center">
<img src="https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/03.image_classification/image/plot.png?raw=true" width="400" ><br/>
图13. CIFAR10数据集上VGG模型的分类错误率
</p>

## 应用模型

可以使用训练好的模型对图片进行分类，下面程序展示了如何加载已经训练好的网络和参数进行推断。

### 生成预测输入数据

`dog.png` 是一张小狗的图片. 我们将它转换成 `numpy` 数组以满足`feeder`的格式.

```python
# Prepare testing data.
from PIL import Image
import os

def load_image(file):
    im = Image.open(file)
    im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS)

    im = numpy.array(im).astype(numpy.float32)
    # The storage order of the loaded image is W(width),
    # H(height), C(channel). PaddlePaddle requires
    # the CHW order, so transpose them.
    im = im.transpose((2, 0, 1))  # CHW
    im = im / 255.0

    # Add one dimension to mimic the list format.
    im = numpy.expand_dims(im, axis=0)
    return im

cur_dir = os.getcwd()
img = load_image(cur_dir + '/image/dog.png')
```

### Inferencer 配置和预测

与训练过程类似，inferencer需要构建相应的过程。我们从`params_dirname` 加载网络和经过训练的参数。
我们可以简单地插入前面定义的推理程序。
现在我们准备做预测。

```python
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
inference_scope = fluid.core.Scope()

with fluid.scope_guard(inference_scope):

    [inference_program, feed_target_names,
     fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model(params_dirname, exe)

        # The input's dimension of conv should be 4-D or 5-D.
        # Use inference_transpiler to speedup
    inference_transpiler_program = inference_program.clone()
    t = fluid.transpiler.InferenceTranspiler()
    t.transpile(inference_transpiler_program, place)

        # Construct feed as a dictionary of {feed_target_name: feed_target_data}
        # and results will contain a list of data corresponding to fetch_targets.
    results = exe.run(inference_program,
                      feed={feed_target_names[0]: img},
                      fetch_list=fetch_targets)

    transpiler_results = exe.run(inference_transpiler_program,
                                 feed={feed_target_names[0]: img},
                                 fetch_list=fetch_targets)

    assert len(results[0]) == len(transpiler_results[0])
    for i in range(len(results[0])):
        numpy.testing.assert_almost_equal(
            results[0][i], transpiler_results[0][i], decimal=5)

    # infer label
    label_list = [
        "airplane", "automobile", "bird", "cat", "deer", "dog", "frog", "horse",
        "ship", "truck"
    ]

    print("infer results: %s" % label_list[numpy.argmax(results[0])])
```

## 总结

传统图像分类方法由多个阶段构成，框架较为复杂，而端到端的CNN模型结构可一步到位，而且大幅度提升了分类准确率。本文我们首先介绍VGG、GoogLeNet、ResNet三个经典的模型；然后基于CIFAR10数据集，介绍如何使用PaddlePaddle配置和训练CNN模型，尤其是VGG和ResNet模型；最后介绍如何使用PaddlePaddle的API接口对图片进行预测和特征提取。对于其他数据集比如ImageNet，配置和训练流程是同样的，大家可以自行进行实验。

<a name="参考文献"></a>
## 参考文献

[1] D. G. Lowe, [Distinctive image features from scale-invariant keypoints](http://www.cs.ubc.ca/~lowe/papers/ijcv04.pdf). IJCV, 60(2):91-110, 2004.

[2] N. Dalal, B. Triggs, [Histograms of Oriented Gradients for Human Detection](http://vision.stanford.edu/teaching/cs231b_spring1213/papers/CVPR05_DalalTriggs.pdf), Proc. IEEE Conf. Computer Vision and Pattern Recognition, 2005.

[3] Ahonen, T., Hadid, A., and Pietikinen, M. (2006). [Face description with local binary patterns: Application to face recognition](http://ieeexplore.ieee.org/document/1717463/). PAMI, 28.

[4] J. Sivic, A. Zisserman, [Video Google: A Text Retrieval Approach to Object Matching in Videos](http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/publications/papers/sivic03.pdf), Proc. Ninth Int'l Conf. Computer Vision, pp. 1470-1478, 2003.

[5] B. Olshausen, D. Field, [Sparse Coding with an Overcomplete Basis Set: A Strategy Employed by V1?](http://redwood.psych.cornell.edu/papers/olshausen_field_1997.pdf), Vision Research, vol. 37, pp. 3311-3325, 1997.

[6] Wang, J., Yang, J., Yu, K., Lv, F., Huang, T., and Gong, Y. (2010). [Locality-constrained Linear Coding for image classification](http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5540018/). In CVPR.

[7] Perronnin, F., Sánchez, J., & Mensink, T. (2010). [Improving the fisher kernel for large-scale image classification](http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1888101). In ECCV (4).

[8] Lin, Y., Lv, F., Cao, L., Zhu, S., Yang, M., Cour, T., Yu, K., and Huang, T. (2011). [Large-scale image clas- sification: Fast feature extraction and SVM training](http://ieeexplore.ieee.org/document/5995477/). In CVPR.

[9] Krizhevsky, A., Sutskever, I., and Hinton, G. (2012). [ImageNet classification with deep convolutional neu- ral networks](http://www.cs.toronto.edu/~kriz/imagenet_classification_with_deep_convolutional.pdf). In NIPS.

[10] G.E. Hinton, N. Srivastava, A. Krizhevsky, I. Sutskever, and R.R. Salakhutdinov. [Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors](https://arxiv.org/abs/1207.0580). arXiv preprint arXiv:1207.0580, 2012.

[11] K. Chatfield, K. Simonyan, A. Vedaldi, A. Zisserman. [Return of the Devil in the Details: Delving Deep into Convolutional Nets](https://arxiv.org/abs/1405.3531). BMVC, 2014。

[12] Szegedy, C., Liu, W., Jia, Y., Sermanet, P., Reed, S., Anguelov, D., Erhan, D., Vanhoucke, V., Rabinovich, A., [Going deeper with convolutions](https://arxiv.org/abs/1409.4842). In: CVPR. (2015)

[13] Lin, M., Chen, Q., and Yan, S. [Network in network](https://arxiv.org/abs/1312.4400). In Proc. ICLR, 2014.

[14] S. Ioffe and C. Szegedy. [Batch normalization: Accelerating deep network training by reducing internal covariate shift](https://arxiv.org/abs/1502.03167). In ICML, 2015.

[15] K. He, X. Zhang, S. Ren, J. Sun. [Deep Residual Learning for Image Recognition](https://arxiv.org/abs/1512.03385). CVPR 2016.

[16] Szegedy, C., Vanhoucke, V., Ioffe, S., Shlens, J., Wojna, Z. [Rethinking the incep-tion architecture for computer vision](https://arxiv.org/abs/1512.00567). In: CVPR. (2016).

[17] Szegedy, C., Ioffe, S., Vanhoucke, V. [Inception-v4, inception-resnet and the impact of residual connections on learning](https://arxiv.org/abs/1602.07261). arXiv:1602.07261 (2016).

[18] Everingham, M., Eslami, S. M. A., Van Gool, L., Williams, C. K. I., Winn, J. and Zisserman, A. [The Pascal Visual Object Classes Challenge: A Retrospective]((http://link.springer.com/article/10.1007/s11263-014-0733-5)). International Journal of Computer Vision, 111(1), 98-136, 2015.

[19] He, K., Zhang, X., Ren, S., and Sun, J. [Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification](https://arxiv.org/abs/1502.01852). ArXiv e-prints, February 2015.

[20] http://deeplearning.net/tutorial/lenet.html

[21] https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html

[22] http://cs231n.github.io/classification/

<br/>
<a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/"><img alt="知识共享许可协议" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by-sa/4.0/88x31.png" /></a><br /><span xmlns:dct="http://purl.org/dc/terms/" href="http://purl.org/dc/dcmitype/Text" property="dct:title" rel="dct:type">本教程</span> 由 <a xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" href="http://book.paddlepaddle.org" property="cc:attributionName" rel="cc:attributionURL">PaddlePaddle</a> 创作，采用 <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">知识共享 署名-相同方式共享 4.0 国际 许可协议</a>进行许可。

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