Jupyter笔记[1]-MNIST手写数字识别
jupyter集成了常用python框架
docker的jupyter/tensorflow-notebook镜像包含了tensorflow,scipy等主流框架
我们还可以在Jupyter内打开终端，用pip或其他工具安装软件包
除了Python,Jupyter还支持其他语言(Julia,markdown等)
主流框架对比
docker环境
[https://jupyter-docker-stacks.readthedocs.io/en/latest/index.html]
解决docker容器启动秒退
#亲测可用
docker pull jupyter/tensorflow-notebook:2022-05-05
#这样运行不会秒退，终端有root权限
docker run -p 91:8888 -v /home/server/files:/home/jovyan/work --user root -e CHOWN_EXTRA=/home/server/files -d jupyter/tensorflow-notebook:2022-05-05 /bin/sh -c "jupyter server --allow-root;while true;do echo hello;sleep 5;done"
docker ps
docker exec -it 7f4f3fc63294 bash
jupyter server list
exit
#容器仍在后台运行
按照说明打开网址
http://192.168.50.80:91/lab?token=191b708f1701860eed3548c9a0cb15aa5a7dc358c7bbb382
注意端口号和token
http://192.168.50.80:91/lab
这里可以设置密码
token is the secret token printed in the console.
Ctrl+P和Ctrl+Q分别按，可以退出容器，让容器仍运行，
不能用的:docker pull docker pull jupyter/tensorflow-notebook:latest
镜像是每日自动生成，但是不保证每天的都能用，笔者试了很多总算找到能用的😮💨,其他的会有网络错误
mnist数据集
[http://yann.lecun.com/exdb/mnist/]
train-images-idx3-ubyte.gz: training set images (9912422 bytes)
train-labels-idx1-ubyte.gz: training set labels (28881 bytes)
t10k-images-idx3-ubyte.gz: test set images (1648877 bytes)
t10k-labels-idx1-ubyte.gz: test set labels (4542 bytes)
TensorFlow提供了一个库可以对MNIST数据集进行下载和解压。具体的是使用TensorFlow中input_data.py脚本来读取数据及标签，使用这种方式时，可以不用事先下载好数据集，它会自动下载并存放到你指定的位置。
但是新版本tensorflow好像并没有input_data.py文件,需要手动读取数据集.
pycharm加载本地数据集_PyTorch加载自己的数据集
MNIST或Fashion-MNIST数据集的加载——从本地文件加载(使用torch.utils.data.DataLoader
手动在Jupyter的终端内解压数据集
#进入你放数据集的目录
cd /work/dataset/MNIST
ls
sudo gzip -dk t10k-images-idx3-ubyte.gz
sudo gzip -dk train-images-idx3-ubyte.gz
sudo gzip -dk t10k-labels-idx1-ubyte.gz
sudo gzip -dk train-labels-idx1-ubyte.gz
#更改后缀名为t10k-images.idx3-ubyte t10k-labels.idx1-ubyte train-images.idx3-ubyte train-labels.idx1-ubyte
读取二进制文件
python -m pip install torchvision
#加载Fashion-MNIST数据集
class LoadFashionMNIST:
def __init__(self,imset_path,labelset_path=None,train=True):
self.train = train
if self.train==True:
self.train_images_name = imset_path
self.train_labels_name = labelset_path
else:
self.test_images_name = imset_path
self.test_labels_name = labelset_path
#解码图像集
def _decode_idx3_ubyte(self,file_path):
"""
说明：加载的file_path必须是解压文件，以.idx3-ubyte结尾的文件才能解码正确
:param file_path:
:return: images
"""
#读取二进制数据
bin_data = open(file_path,'rb').read()
#解析文件头信息，依次为魔数、图片数量、每张图片的高、宽
offset =0
magics,numimgs,rows,cols = struct.unpack_from('>IIII',bin_data,offset)
print("魔数“%d，图像数量：%d张，图片大小：%d*%d" %(magics,numimgs,rows,cols))
#解析数据集
img_size = rows*cols
offset += struct.calcsize('>iiii')
print(offset)
img_fmt = '>'+str(img_size)+'B' #图像数据像素值的类型为unsignedchar型，对应的format格式为B
#这里的图像大小为28*28=784，为了读取784个B格式数据，如果没有则只会读取一个值
print(img_fmt)
images = np.empty((numimgs,rows,cols))
#plt.figure()
for i in range(numimgs):
if (i+1)%10000==0:
print('train集已解析%d'%(i+1)+'张')
#print(offset)
images[i] = np.array(struct.unpack_from(img_fmt,bin_data,offset)).reshape((rows,cols))
offset +=struct.calcsize(img_fmt)
# plt.imshow(images[i])
# plt.pause(0.00001)
# plt.show()
return images
MNIST手写数字识别原理
[https://www.douban.com/note/667487805/]
变分推断(variational inference)：
首先，我们的原始目标是，需要根据已有数据推断需要的分布p；当p不容易表达，不能直接求解时，可以尝试用变分推断的方法， 即，寻找容易表达和求解的分布q，当q和p的差距很小的时候，q就可以作为p的近似分布，成为输出结果了。
MNIST手写字体识别最基础的Tensorflow代码例子, 其使用的概念原理就是变分推断,通过所谓的交叉熵最小，实质就是通过反向传播调整参数，实现样本和目标值的统计分布最接近。
[https://www.cnblogs.com/huliangwen/p/7455382.html]
实现
"""
代码：读取Fashion-MNIST数据集
"""
import numpy as np
import struct
from matplotlib import pyplot as plt
from PIL import Image
#加载Fashion-MNIST数据集
class LoadFashionMNIST:
def __init__(self,imset_path,labelset_path=None,train=True):
self.train = train
if self.train==True:
self.train_images_name = imset_path
self.train_labels_name = labelset_path
else:
self.test_images_name = imset_path
self.test_labels_name = labelset_path
#解码图像集
def _decode_idx3_ubyte(self,file_path):
"""
说明：加载的file_path必须是解压文件，以.idx3-ubyte结尾的文件才能解码正确
:param file_path:
:return: images
"""
#读取二进制数据
bin_data = open(file_path,'rb').read()
#解析文件头信息，依次为魔数、图片数量、每张图片的高、宽
offset =0
magics,numimgs,rows,cols = struct.unpack_from('>IIII',bin_data,offset)
print("魔数“%d，图像数量：%d张，图片大小：%d*%d" %(magics,numimgs,rows,cols))
#解析数据集
img_size = rows*cols
offset += struct.calcsize('>iiii')
print(offset)
img_fmt = '>'+str(img_size)+'B' #图像数据像素值的类型为unsignedchar型，对应的format格式为B
#这里的图像大小为28*28=784，为了读取784个B格式数据，如果没有则只会读取一个值
print(img_fmt)
images = np.empty((numimgs,rows,cols))
#plt.figure()
for i in range(numimgs):
if (i+1)%10000==0:
print('train集已解析%d'%(i+1)+'张')
#print(offset)
images[i] = np.array(struct.unpack_from(img_fmt,bin_data,offset)).reshape((rows,cols))
offset +=struct.calcsize(img_fmt)
# plt.imshow(images[i])
# plt.pause(0.00001)
# plt.show()
return images
#解码标签集
def _decode_idx1_ubyte(self,file_path):
"""
:param file_path: 文件必须是解压之后的，以.idx1-ubyte后缀结尾的文件
:return:
"""
#读取二进制文件
bin_data = open(file_path,'rb').read()
#解析文件头信息，依次为魔数和标签数量
offset = 0
header_fmt = '>II' #文件头格式
magics,nums = struct.unpack_from(header_fmt,bin_data,offset)
print('魔数：%d，图片标签数量：%d张'%(magics,nums))
#解析数据集
offset += struct.calcsize(header_fmt)
img_fmt = '>B'
labels = np.empty(nums)
for i in range(nums):
if (i+1)%10000==0:
print('labels集已解析%d'%(i+1)+'张')
labels[i] = struct.unpack_from(img_fmt,bin_data,offset)[0]
offset += struct.calcsize(img_fmt)
return labels
#读取FashionMNIST的图像集
def get_FashionMNIST_images(self):
"""
加载的FashionMNIST图像是灰度图像
:return:
"""
if self.train==True:
return self._decode_idx3_ubyte(self.train_images_name)
else:
return self._decode_idx3_ubyte(self.test_images_name)
#读取FashionMNIST的标签集
def get_FashionMNIST_labels(self):
if self.train==True:
return self._decode_idx1_ubyte(self.train_labels_name )
else:
return self._decode_idx1_ubyte(self.test_labels_name )
#获取数据集的Image和labels
def FashionMNIST(self,label=True):
"""
读取FMNIST数据集的数据，包括图像和标签
:param label: 是否输出标签
:return: Imgs,labels
"""
if label==True:
if self.train==True:
Imgs = self._decode_idx3_ubyte(self.train_images_name)
labels = self._decode_idx1_ubyte(self.train_labels_name)
return (Imgs,labels)
else:
Imgs = self._decode_idx3_ubyte(self.test_images_name)
labels = self._decode_idx1_ubyte(self.test_labels_name)
return (Imgs,labels)
else:
if self.train==True:
Imgs = self._decode_idx3_ubyte(self.train_images_name)
return Imgs
else:
Imgs = self._decode_idx3_ubyte(self.test_images_name)
return Imgs
#将FashionMNIST图像数据集转为图像并保存
def ToPILImage(self,save=False,save_path=None):
"""
FashionMNIST数据集还原图像
:param outimg: 输出图像，可以为空
:param save: 是否需要保存图像
:param save_path: 保存图像路径
:return: 无返回
"""
images = self.get_FashionMNIST_images()
nums = images.shape[0]
outimg = Image.fromarray(images[1]).convert('RGB')
for i in range(nums):
#要保存则必须使用.convert('RGB')
img = Image.fromarray(images[i]).convert('RGB')
#img.show()
if save==True:
savepath = save_path+"\\"+("0" if i<9 else "" )+ str(i+1)+".jpg"
print(savepath)
img.save(savepath)
del img
return outimg
def ToPILImages_Save(self,T=0,save=False,save_path=None):
"""
FashionMNIST数据集还原图像
:param outimg: 输出图像，可以为空
:param save: 是否需要保存图像
:param save_path: 保存图像路径
:T=0 表示输出第T张图像
:return: 无返回
"""
images = self.get_FashionMNIST_images()
outimg =self.ToImage(images[T]) #返回第T张图像
if save ==True:
nums = images.shape[0]
for i in range(nums):
img = Image.fromarray(images[i]).convert('L')#要保存则必须使用.convert('L)
#img.show()
savepath = save_path+"\\"+("0" if i<9 else "" )+ str(i+1)+".jpg"
print(savepath)
img.save(savepath)
del img
return outimg
#将单个Image的numpy数组转为PIL图像
def ToImage(self,Img,show=False):
"""
转为image的方法：
outimg = Image.fromarray(np.uint8(Img)) #无符号整型,二通道
outimg2 = Image.fromarray(Img).convert('L') #整型,二通道
outimg3 = Image.fromarray(Img) #浮点型,二通道
outimg4 = Image.fromarray(Img).convert('RGB') #整型，三通道
将numpy数据转为PIL图像
:param Img: Img是单张图像的numpy数组
desc=False:False表示不显示属性
:return: 图像
"""
outimg = Image.fromarray(np.uint8(Img)) #无符号整型,二通道
if show==True:
#outimg.show()
plt.imshow(outimg)
plt.show()
print("outimg图像的像素值(np.matrix(outimg.getdata()))：")
print(np.matrix(outimg.getdata()))
print("outimg图像的尺寸：",outimg.size)
print("outimg图像的通道数：",len(outimg.split()))
print("输出outimg图像的类型：",type(outimg))
print("输入Img图像的类型：",type(Img))
return outimg
#将多维矩阵图像合并显示在一张图上
def Matrix_Images(Imgs,backs,offsets=[1,1]):
"""
实现多幅图像合并成一个矩阵
:Imgs:是一个三维矩阵，大小为(T,rows,cols)
:param backs: 矩阵块的大小=[rows,cols]
:param offsets: 每副图像之间的间隔像素
:return: 图像数组
【应用实例：】
backs = [2,2]
imgM = Matrix_Images(imgs,backs,offsets=[1,2])
plt.imshow(imgM)
plt.show()
img = Image.fromarray(np.uint8(imgM))
img.show()
"""
imsize = list(Imgs.shape[1:3]) #图像的尺寸
#计算新矩阵图像尺寸
Rs,Cs = np.multiply(backs,imsize) + np.multiply(np.array(backs)-1,offsets)
#print(Rs,Cs)
#创建一个元素值全为255的矩阵（即白色背景图）
imgM = np.ones((Rs,Cs),dtype=np.uint8)*255
#print(imgM)
#方式一：节约运算时间
m,n,ccs=0,0,0 #ccs = 0 #计数矩阵块的行数
for t in range(backs[0]*backs[1]):
if ccs==backs[1]:
m +=1
n,ccs = 0,0
#计算图像在矩阵中的坐标位置
r1 = m*imsize[0] + m*offsets[0]
r2 = (m+1)*imsize[0] + m*offsets[0]
c1 = n*imsize[1] + n*offsets[1]
c2 = (n+1)*imsize[1] + n*offsets[1]
#print((r1,r2),(c1,c2))
#赋值
imgM[r1:r2,c1:c2] = Imgs[t]
del r1,r2,c1,c2
ccs +=1
n +=1
del m,n,ccs,Rs,Cs,imsize
#方式二：两重循环，耗时
#t=0
# for r in range(backs[0]):
# for c in range(backs[1]):
# ry1 = r*imsize[0] +r*offsets[0]
# ry2 = (r+1)*imsize[0] +r*offsets[0]
# cx1 = c*imsize[1] + c*offsets[1]
# cx2 = (c+1)*imsize[1] + c*offsets[1]
# M[ry1:ry2,cx1:cx2] = imgs[t]
# t +=1
# # ry1=0
# # ry2=0
# # cx1=0
# # cx2=0
return imgM
if __name__ == '__main__':
"""
加载FashionMNIST数据集
"""
path = r"./dataset/MNIST"
#训练集文件
train_images_file =path+r"/train-images.idx3-ubyte"
#训练集标签文件
train_labels_file =path+r"/train-labels.idx1-ubyte"
#测试文件
test_images_file =path+r"/t10k-images.idx3-ubyte"
#测试集标签文件
test_labels_file =path+r"/t10k-labels.idx1-ubyte"
#保存图像文件路径
save_train_images =path+r"/train_images"
save_test_images = path+r"/test_images2"
#（1）定义加载MNIST数据集实例
fmnist = LoadFashionMNIST(test_images_file,test_labels_file,train=False)
#（2）获得MNIST数据集，返回numpy数组
imgs,labels = fmnist.FashionMNIST()
print("图像和标签的大小：",imgs.shape,labels.shape)
print("前50个标签值：",labels[0:50])
print("图形的类型：",type(imgs))
plt.imshow(imgs[0])
plt.show()
#（3）测试单张图像的转换
T=0
imt = fmnist.ToImage(imgs[T],show=True)
imt.show()
#(4) MNIST数据集转为PIL图像并保存
img = fmnist.ToPILImages_Save(save=True,save_path=save_test_images)
plt.imshow(img)
plt.show()
效果
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