图像分类数据集

:label:sec_fashion_mnist

(MNIST数据集) :cite:LeCun.Bottou.Bengio.ea.1998 (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) :cite:Xiao.Rasul.Vollgraf.2017。

%matplotlib inline
from d2l import mxnet as d2l
from mxnet import gluon
import sys

d2l.use_svg_display()

#@tab pytorch
%matplotlib inline
from d2l import torch as d2l
import torch
import torchvision
from torchvision import transforms
from torch.utils import data

d2l.use_svg_display()

#@tab tensorflow
%matplotlib inline
from d2l import tensorflow as d2l
import tensorflow as tf

d2l.use_svg_display()

#@tab paddle
%matplotlib inline
from d2l import paddle as d2l
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
import sys
import paddle
from paddle.vision import transforms

d2l.use_svg_display()

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]。

mnist_train = gluon.data.vision.FashionMNIST(train=True)
mnist_test = gluon.data.vision.FashionMNIST(train=False)

#@tab pytorch
# 通过ToTensor实例将图像数据从PIL类型变换成32位浮点数格式，
# 并除以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)

#@tab tensorflow
mnist_train, mnist_test = tf.keras.datasets.fashion_mnist.load_data()

#@tab paddle
trans = transforms.ToTensor()
mnist_train = paddle.vision.datasets.FashionMNIST(mode="train",
                                                  transform=trans)
mnist_test = paddle.vision.datasets.FashionMNIST(mode="test", transform=trans)

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。

#@tab mxnet, pytorch, paddle
len(mnist_train), len(mnist_test)

#@tab tensorflow
len(mnist_train[0]), len(mnist_test[0])

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（$h$,$w$）。

#@tab all
mnist_train[0][0].shape

[两个可视化数据集的函数]

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。

#@tab all
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。

#@tab mxnet, tensorflow
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)):
        ax.imshow(d2l.numpy(img))
        ax.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        ax.axes.get_yaxis().set_visible(False)
        if titles:
            ax.set_title(titles[i])
    return axes

#@tab pytorch
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

#@tab paddle
#@save
def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5):
    """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 paddle.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]。

X, y = mnist_train[:18]

print(X.shape)
show_images(X.squeeze(axis=-1), 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y));

#@tab pytorch
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));

#@tab tensorflow
X = tf.constant(mnist_train[0][:18])
y = tf.constant(mnist_train[1][:18])
show_images(X, 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y));

#@tab paddle
X, y = next(iter(paddle.io.DataLoader(mnist_train, batch_size=18)))
show_images(X.reshape([18, 28, 28]), 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y));

读取小批量

为了使我们在读取训练集和测试集时更容易，我们使用内置的数据迭代器，而不是从零开始创建。 回顾一下，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]。 通过内置数据迭代器，我们可以随机打乱了所有样本，从而无偏见地读取小批量。

batch_size = 256

def get_dataloader_workers():  #@save
    """在非Windows的平台上，使用4个进程来读取数据"""
    return 0 if sys.platform.startswith('win') else 4

# 通过ToTensor实例将图像数据从uint8格式变换成32位浮点数格式，并除以255使得所有像素的数值
# 均在0～1之间
transformer = gluon.data.vision.transforms.ToTensor()
train_iter = gluon.data.DataLoader(mnist_train.transform_first(transformer),
                                   batch_size, shuffle=True,
                                   num_workers=get_dataloader_workers())

#@tab pytorch
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())

#@tab tensorflow
batch_size = 256
train_iter = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(
    mnist_train).batch(batch_size).shuffle(len(mnist_train[0]))

#@tab paddle
batch_size = 256

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

train_iter = paddle.io.DataLoader(dataset=mnist_train,
                                  batch_size=batch_size,
                                  shuffle=True,
                                  return_list=True,
                                  num_workers=get_dataloader_workers())

我们看一下读取训练数据所需的时间。

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

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。

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"""
    dataset = gluon.data.vision
    trans = [dataset.transforms.ToTensor()]
    if resize:
        trans.insert(0, dataset.transforms.Resize(resize))
    trans = dataset.transforms.Compose(trans)
    mnist_train = dataset.FashionMNIST(train=True).transform_first(trans)
    mnist_test = dataset.FashionMNIST(train=False).transform_first(trans)
    return (gluon.data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                                  num_workers=get_dataloader_workers()),
            gluon.data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False,
                                  num_workers=get_dataloader_workers()))

#@tab pytorch
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))
    trans = transforms.Compose(trans)
    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()))

#@tab tensorflow
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"""
    mnist_train, mnist_test = tf.keras.datasets.fashion_mnist.load_data()
    # 将所有数字除以255，使所有像素值介于0和1之间，在最后添加一个批处理维度，
    # 并将标签转换为int32。
    process = lambda X, y: (tf.expand_dims(X, axis=3) / 255,
                            tf.cast(y, dtype='int32'))
    resize_fn = lambda X, y: (
        tf.image.resize_with_pad(X, resize, resize) if resize else X, y)
    return (
        tf.data.Dataset.from_tensor_slices(process(*mnist_train)).batch(
            batch_size).shuffle(len(mnist_train[0])).map(resize_fn),
        tf.data.Dataset.from_tensor_slices(process(*mnist_test)).batch(
            batch_size).map(resize_fn))

#@tab paddle
#@save
def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None):  
    """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))
    trans = transforms.Compose(trans)
    mnist_train = paddle.vision.datasets.FashionMNIST(mode="train",
                                                      transform=trans)
    mnist_test = paddle.vision.datasets.FashionMNIST(mode="test",
                                                     transform=trans)
    return (paddle.io.DataLoader(dataset=mnist_train,
                                 batch_size=batch_size,
                                 shuffle=True,
                                 return_list=True,
                                 num_workers=get_dataloader_workers()),
            paddle.io.DataLoader(dataset=mnist_test,
                                 batch_size=batch_size,
                                 return_list=True,
                                 shuffle=True,
                                 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。

#@tab all
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

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？

:begin_tab:mxnet Discussions :end_tab:

:begin_tab:pytorch Discussions :end_tab:

:begin_tab:tensorflow Discussions :end_tab:

:begin_tab:paddle Discussions :end_tab: