PaddlePaddle 系列之三行代码从入门到精通

本文介绍 PaddlePaddle 系列之三行代码从入门到精通。

前言

这将是 PaddlePaddle 系列教程的开篇，属于非官方教程。既然是非官方，自然会从一个使用者的角度出发，来教大家怎么用，会有哪些坑，以及如何上手并用到实际项目中去。

我之前写过一些关于 tensorflow 的教程，在我的简书上可以找到，非常简单基础的一个教程，但是备受好评，因为国内实在是很难找到一个系列的关于这些深度学习框架的教程。因此在这里，我来给 PaddlePaddle 也写一个类似的教程，不复杂，三行代码入门。

三行代码 PaddlePaddle 从入门到精通

PaddlePaddle 是百度大力推出的一个框架，不得不说相比于 tensorflow，PaddlePaddle 会简单很多，接下来我会细说。同时百度在人工智能方面的功底还是非常深厚，我曾经在腾讯实习，类似于 AT 这样的公司，甚至没有一个非常成型的框架存在。

既然是三行代码精通 PaddlePaddle，那么得安装一下 PaddlePaddle。就目前来说，最好的办法是 build from source。步骤如下（注意，这里是 CPU 版本，GPU 版本的源码编译过程后续补充，我们先用 CPU 来熟悉 API）：

# clone 最新代码到 paddle
git clone https://github.com/PaddlePaddle/Paddle paddle
cd paddle
mkdir build
cd build
make all -j8
sudo make install

# 安装 python 接口，注意 paddlepaddle 目前貌似只支持 python2，因此在写脚本的时候一定要兼容一下 python3
# 这里是 mac 的情况下，如果是 ubuntu /usr/local/opt  应该直接是/opt/
sudo python -m pip install /usr/local/opt/paddle/share/wheels/*.whl
# 或者直接
sudo pip2 install /usr/local/opt/paddle/share/wheels/*.whl

好了，看上去应该算是安装完了。接下来我们用三行代码来测试一下？

PaddlePaddle 在 python API 上 0.10 有较大的变化，所以直接 import 一下 v2 版本的 API。如果可以说明 PaddlePaddle 安装没有问题。这里赞一下百度的技术功底和用户体验，这尼玛要是 caffe 或者 caffe2 编译出错概率 100%不说，python 安装了也不能 import，PaddlePaddle 一步到位，非常牛逼。

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闲话不多说，直接三行代码来熟悉一下 PaddlePaddle 的 API。

三行代码来了

接下来要做的事情是，用 PaddlePaddle 搭建一个 3 层 MLP 网络，跑一个二维的 numpy 随机数据，来了解一下 PaddlePaddle 从数据喂入到训练的整个 pipeline 吧。

首先我们这个教程先给大家展示一个图片分类器，用到的数据集是 Stanford Dogs 数据集，下载链接，大概 800M, 同时下载一下 annotations，大概 21M。下载好了我们用一个 paddle_test 的文件夹来做这个教程吧。

mkdir paddle_test
cd paddle_test
mkdir data

把所有的 images 和 annotations 扔到 data 里面去，解压一下：

paddle_test
└── data
    ├── annotation.tar
    └── images.tar

顺便说一下，这里的 annotations 是为后面用 paddlepaddle 做分割做准备，本次分类任务，只需要一个 images.tar 就可以了，所有图片被放在了该类别的文件夹下面，以后处理其他分类任务时，只需要把不同类别放在文件夹就 OK 了，甚至不用改代码，非常方便，这比 MXNet 要有道理很多，多数情况下我们根本不需要海量图片训练，也没有必要搞个什么 imrecord 的数据格式，MXNet 导入图片真心蛋疼，没有 Pytorch 方便，但是 Pytorch 得运行速度堪忧。

OK，将 images.tar 解压，会得到 120 个文件夹，也就是 120 个类别，每个类别里面都是一种狗狗图片。比如这张是一只 Beagle：

我们现在要来处理一下这些蠢狗。

开始写三行代码

好了，开始写三行代码了。

def vgg_bn_drop(input_data):
def event_handler(event):
def train():

实际上 PaddlePaddle 的使用也就是三行代码的事情，首先是网络构建，这里我们构建一个 VGG 网络，其次是 event 的处理函数，这个机制是 PaddlePaddle 独有的，PaddlePaddle 把所有的训练过程都包装成了一个 trainer，然后调用这个 event_handler 来处理比如打印 loss 信息这样的事情。OK，我们一步一步来，先来看一下 train 的过程吧：

def train():
    data_dim = 3 * 32 * 32
    class_dim = 10
    image = paddle.layer.data(
        name="image", type=paddle.data_type.dense_vector(data_dim))
    net = vgg_bn_drop(image)
    out = paddle.layer.fc(input=net,
                          size=class_dim,
                          act=paddle.activation.Softmax())
    lbl = paddle.layer.data(
        name="label", type=paddle.data_type.integer_value(class_dim))
    cost = paddle.layer.classification_cost(input=out, label=lbl)
    parameters = paddle.parameters.create(cost)
    print(parameters.keys())
    momentum_optimizer = paddle.optimizer.Momentum(
        momentum=0.9,
        regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=0.0002 * 128),
        learning_rate=0.1 / 128.0,
        learning_rate_decay_a=0.1,
        learning_rate_decay_b=50000 * 100,
        learning_rate_schedule='discexp')
    # Create trainer
    trainer = paddle.trainer.SGD(cost=cost,
                                 parameters=parameters,
                                 update_equation=momentum_optimizer)
    reader = paddle.batch(
        paddle.reader.shuffle(
            paddle.dataset.cifar.train10(), buf_size=50000),
        batch_size=128)
    feeding = {'image': 0,
               'label': 1}
    trainer.train(
        reader=reader,
        num_passes=200,
        event_handler=event_handler,
        feeding=feeding)

PaddlePaddle 的网络训练流程分为几个步骤：

首先定义网络，这里的网络不包括最后一层的 softmax；
创建一个 cost，cost 当然就需要一个网络的输出和 lable 了；
通过这个 cost 来创建网络训练的参数，非常简单明了；
最后是优化器，这里定义反向传播的正则项，学习速率调整策略等；
通过上面这些创建一个 trainer；
最后这个 trainer 要训练起来，还需要持续的数据喂入，时间处理函数，和喂入的方式。

接着我们看一下网络定义和事件处理函数：

# define VGG network
def vgg_bn_drop(input_data):
    def convolution_block(ipt, num_filter, groups, dropouts, num_channels=None):
        return paddle.networks.img_conv_group(
            input=ipt,
            num_channels=num_channels,
            pool_size=2,
            pool_stride=2,
            conv_num_filter=[num_filter] * groups,
            conv_filter_size=3,
            conv_act=paddle.activation.Relu(),
            conv_with_batchnorm=True,
            conv_batchnorm_drop_rate=dropouts,
            pool_type=paddle.pooling.Max())
    convolution_1 = convolution_block(input_data, 64, 2, [0.3, 0], 3)
    convolution_2 = convolution_block(convolution_1, 128, 2, [0.4, 0])
    convolution_3 = convolution_block(convolution_2, 256, 3, [0.4, 0.4, 0])
    convolution_4 = convolution_block(convolution_3, 512, 3, [0.4, 0.4, 0])
    convolution_5 = convolution_block(convolution_4, 512, 3, [0.4, 0.4, 0])
    drop = paddle.layer.dropout(input=convolution_5, dropout_rate=0.5)
    fc1 = paddle.layer.fc(input=drop, size=512, act=paddle.activation.Linear())
    bn = paddle.layer.batch_norm(
        input=fc1,
        act=paddle.activation.Relu(),
        layer_attr=paddle.attr.Extra(drop_rate=0.5))
    fc2 = paddle.layer.fc(input=bn, size=512, act=paddle.activation.Linear())
    return fc2
def event_handler(event):
    if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
        if event.batch_id % 100 == 0:
            print("\nPass %d, Batch %d, Cost %f, %s" % (
                event.pass_id, event.batch_id, event.cost, event.metrics))
        else:
            sys.stdout.write('.')
            sys.stdout.flush()

这里我们先用 PaddlePaddle 内置的 cifar10 来测试一下能否训练起来，把上面的代码加上 import 之后：

from __future__ import print_function, division
import paddle.v2 as paddle
import sys
paddle.init(use_gpu=False, trainer_count=1)
if __name__ == '__main__':
    train()

在主函数里面运行 train()。见证奇迹的时刻到了。。

PaddlePaddle 开始下载数据，并打印出了网络结构！

so far so good，PaddlePaddle 开始训练网络！！！

牛逼了我的哥。接下来我们用这个代码来保存网络训练之后的权重：

try:
    trainer.train(
        reader=reader,
        num_passes=200,
        event_handler=event_handler,
        feeding=feeding)
except KeyboardInterrupt:
    with open('params_model.tar', 'w') as f:
        parameters.to_tar(f)

最后，模型 train 好之后，导入模型进行预测：

from __future__ import print_function
from PIL import Image
import numpy as np
import os
def load_image(file):
    im = Image.open(file)
    im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS)
    im = np.array(im).astype(np.float32)
    # PIL 打开图片存储顺序为 H(高度)，W(宽度)，C(通道)。
    # PaddlePaddle 要求数据顺序为 CHW，所以需要转换顺序。
    im = im.transpose((2, 0, 1)) # CHW
    # CIFAR 训练图片通道顺序为 B(蓝),G(绿),R(红),
    # 而 PIL 打开图片默认通道顺序为 RGB,因为需要交换通道。
    im = im[(2, 1, 0),:,:] # BGR
    im = im.flatten()
    im = im / 255.0
    return im
test_data = []
cur_dir = os.getcwd()
test_data.append((load_image(cur_dir + '/image/dog.png'),))
# with open('params_pass_50.tar', 'r') as f:
#    parameters = paddle.parameters.Parameters.from_tar(f)
probs = paddle.infer(
    output_layer=out, parameters=parameters, input=test_data)
lab = np.argsort(-probs) # probs and lab are the results of one batch data
print("Label of image/dog.png is: %d" % lab[0][0])

OK, 本次列车到此结束，对于 PaddlePaddle 如何训练一个图片分类器，应该有了一个清醒的认识，下一步，我们将继续….用 PaddlePaddle 实现一个 NLP 情感分类器！

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