【PyTorch】自作データセットで画像分類

サンタクロースが「おじさん」なのか「おばけ」なのかを決定する第2回になります。
前回は画像の類似度判定を用いて、サンタクロースが「おじさん」に似ているかそれとも「おばけ」に似ているかを判定しました。

今回は画像分類を用いて、サンタクロースがおじさんなのかおばけなのかを分類してみようと思います。

第1回目の結果はこちらを参照ください
https://qiita.com/Kentea/items/c8dbac712798eaee98bb


# はじめに
おばけのデータベース
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2952830/d03cdf4c-6432-7deb-94c6-073bfed25e56.png)
おじさんのデータベース
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2952830/21b79aa0-03b3-9845-5648-bdf3c38c71ad.png)


結果 : サンタクロースはおばけに分類されました。
- Predicted:1 おじさん
- Predicted:1 おばけ


![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2952830/7b409eb2-e61a-9961-3618-a1fa8a95233a.png)

サンタクロース以外も精度よく分類されています。
こちら画像枚数は各ラベル50枚程度で、エポック数も100です。
resnet18の事前学習済みモデルを使っているのですが、かなり優秀ですね。



# 実装
- [PyTorchの公式実装](https://pytorch.org/tutorials/beginner/transfer_learning_tutorial.html)を使用しました。

自作データセットを使用する場合のディレクトリ構造は以下のようにします。

0と1はLabelを表します。
今回は以下のように定義しました。
- Label0: おばけ
- Label1: おじさん

> Datasets/
　　　├ train
　　　　　├ 0
　　　　　├ 1
　　　├ val
　　　　　├ 0
　　　　　├ 1



コード全文
Google Colaboratoryを使用しました。
```python
%matplotlib inline
# License: BSD
# Author: Sasank Chilamkurthy

from __future__ import print_function, division

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.optim import lr_scheduler
import torch.backends.cudnn as cudnn
import numpy as np
import torchvision
from torchvision import datasets, models, transforms
import matplotlib.pyplot as plt
import time
import os
import copy

cudnn.benchmark = True
plt.ion()   # interactive mode

# Data augmentation and normalization for training
# Just normalization for validation
data_transforms = {
    'train': transforms.Compose([
        transforms.RandomResizedCrop(224),
        transforms.RandomHorizontalFlip(),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
    'val': transforms.Compose([
        transforms.Resize(256),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
}

data_dir = 'DIR_PATH/Datasets'
image_datasets = {x: datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x),
                                          data_transforms[x])
                  for x in ['train', 'val']}
dataloaders = {x: torch.utils.data.DataLoader(image_datasets[x], batch_size=4,
                                             shuffle=True, num_workers=4)
              for x in ['train', 'val']}
dataset_sizes = {x: len(image_datasets[x]) for x in ['train', 'val']}
class_names = image_datasets['train'].classes

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

def imshow(inp, title=None):
    """Imshow for Tensor."""
    inp = inp.numpy().transpose((1, 2, 0))
    mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
    std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    inp = std * inp + mean
    inp = np.clip(inp, 0, 1)
    plt.imshow(inp)
    if title is not None:
        plt.title(title)
    plt.pause(0.001)  # pause a bit so that plots are updated


# Get a batch of training data
inputs, classes = next(iter(dataloaders['train']))

# Make a grid from batch
out = torchvision.utils.make_grid(inputs)

imshow(out, title=[class_names[x] for x in classes])

def train_model(model, criterion, optimizer, scheduler, num_epochs=25):
    since = time.time()

    best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())
    best_acc = 0.0

    for epoch in range(num_epochs):
        print(f'Epoch {epoch}/{num_epochs - 1}')
        print('-' * 10)

        # Each epoch has a training and validation phase
        for phase in ['train', 'val']:
            if phase == 'train':
                model.train()  # Set model to training mode
            else:
                model.eval()   # Set model to evaluate mode

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0

            # Iterate over data.
            for inputs, labels in dataloaders[phase]:
                inputs = inputs.to(device)
                labels = labels.to(device)

                # zero the parameter gradients
                optimizer.zero_grad()

                # forward
                # track history if only in train
                with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):
                    outputs = model(inputs)
                    _, preds = torch.max(outputs, 1)
                    loss = criterion(outputs, labels)

                    # backward + optimize only if in training phase
                    if phase == 'train':
                        loss.backward()
                        optimizer.step()

                # statistics
                running_loss += loss.item() * inputs.size(0)
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)
            if phase == 'train':
                scheduler.step()

            epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
            epoch_acc = running_corrects.double() / dataset_sizes[phase]

            print(f'{phase} Loss: {epoch_loss:.4f} Acc: {epoch_acc:.4f}')

            # deep copy the model
            if phase == 'val' and epoch_acc > best_acc:
                best_acc = epoch_acc
                best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())

        print()

    time_elapsed = time.time() - since
    print(f'Training complete in {time_elapsed // 60:.0f}m {time_elapsed % 60:.0f}s')
    print(f'Best val Acc: {best_acc:4f}')

    # load best model weights
    model.load_state_dict(best_model_wts)
    return model

def visualize_model(model, num_images=6):
    was_training = model.training
    model.eval()
    images_so_far = 0
    fig = plt.figure()

    with torch.no_grad():
        for i, (inputs, labels) in enumerate(dataloaders['val']):
            inputs = inputs.to(device)
            labels = labels.to(device)

            outputs = model(inputs)
            _, preds = torch.max(outputs, 1)

            for j in range(inputs.size()[0]):
                images_so_far += 1
                ax = plt.subplot(num_images//2, 2, images_so_far)
                ax.axis('off')
                ax.set_title(f'predicted: {class_names[preds[j]]}')
                imshow(inputs.cpu().data[j])

                if images_so_far == num_images:
                    model.train(mode=was_training)
                    return
        model.train(mode=was_training)

model_ft = models.resnet18(pretrained=True)
num_ftrs = model_ft.fc.in_features
# Here the size of each output sample is set to 2.
# Alternatively, it can be generalized to nn.Linear(num_ftrs, len(class_names)).
model_ft.fc = nn.Linear(num_ftrs, 2)

model_ft = model_ft.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# Observe that all parameters are being optimized
optimizer_ft = optim.SGD(model_ft.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# Decay LR by a factor of 0.1 every 7 epochs
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_ft, step_size=7, gamma=0.1)

model_ft = train_model(model_ft, criterion, optimizer_ft, exp_lr_scheduler,
                       num_epochs=100)

visualize_model(model_ft)
```


# 最後に

サンタクロースは見た目おじさんなのに不思議ですね。

サンタクロースがおじさんなのかおばけなのかを追求するのはこの辺にしようと思います。