基于LeNet5的手写数字识别

实验介绍

LeNet5 + MNIST被誉为深度学习领域的“Hello world”。本实验主要介绍使用MindSpore在MNIST手写数字数据集上开发和训练一个LeNet5模型，并验证模型精度。

实验目的

了解如何使用MindSpore进行简单卷积神经网络的开发。
了解如何使用MindSpore进行简单图片分类任务的训练。
了解如何使用MindSpore进行简单图片分类任务的验证。

预备知识

熟练使用Python，了解Shell及Linux操作系统基本知识。
具备一定的深度学习理论知识，如卷积神经网络、损失函数、优化器，训练策略等。
了解华为云的基本使用方法，包括OBS（对象存储）、ModelArts（AI开发平台）、Notebook（开发工具）、训练作业等服务。华为云官网：https://www.huaweicloud.com
了解并熟悉MindSpore AI计算框架，MindSpore官网：https://www.mindspore.cn

实验环境

MindSpore 1.0.0（MindSpore版本会定期更新，本指导也会定期刷新，与版本配套）；
华为云ModelArts（控制台左上角选择“华北-北京四”）：ModelArts是华为云提供的面向开发者的一站式AI开发平台，集成了昇腾AI处理器资源池，用户可以在该平台下体验MindSpore；
Windows/Ubuntu x64笔记本，NVIDIA GPU服务器，或Atlas Ascend服务器等。

实验准备

数据集准备

MNIST是一个手写数字数据集，训练集包含60000张手写数字，测试集包含10000张手写数字，共10类。MNIST数据集的官网：THE MNIST DATABASE。

方式一，从MNIST官网下载如下4个文件到本地并解压：

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)

方式二，从华为云OBS中下载MNIST数据集并解压。
方式三（推荐），使用ModelArts训练作业/Notebook时，可以拷贝他人共享的OBS桶内的数据集，方法详见适配训练作业、数据拷贝。

脚本准备

从课程gitee仓库上下载本实验相关脚本。将脚本和数据集组织为如下形式：

lenet5
├── MNIST
│   ├── test
│   │   ├── t10k-images-idx3-ubyte
│   │   └── t10k-labels-idx1-ubyte
│   └── train
│       ├── train-images-idx3-ubyte
│       └── train-labels-idx1-ubyte
└── main.py

创建OBS桶

使用ModelArts训练作业/Notebook时，需要使用华为云OBS存储实验脚本和数据集，可以参考快速通过OBS控制台上传下载文件了解使用OBS创建桶、上传文件、下载文件的使用方法（下文给出了操作步骤）。

打开OBS控制台，点击右上角的“创建桶”按钮进入桶配置页面，创建OBS桶的参考配置如下：

区域：华北-北京四
数据冗余存储策略：单AZ存储
桶名称：全局唯一的字符串
存储类别：标准存储
桶策略：公共读
归档数据直读：关闭
企业项目、标签等配置：免

上传文件

点击新建的OBS桶名，再打开“对象”标签页，通过“上传对象”、“新建文件夹”等功能，将脚本和数据集上传到OBS桶中。上传文件后，查看页面底部的“任务管理”状态栏（正在运行、已完成、失败），确保文件均上传完成。若失败请：

参考上传对象大小限制/切换上传方式，
参考上传对象失败常见原因。
若无法解决请新建工单，产品类为“对象存储服务”，问题类型为“桶和对象相关”，会有技术人员协助解决。

实验步骤（ModelArts训练作业）

ModelArts提供了训练作业服务，训练作业资源池大，且具有作业排队等功能，适合大规模并发使用。使用训练作业时，如果有修改代码和调试的需求，有如下三个方案：

在本地修改代码后重新上传；
使用PyCharm ToolKit配置一个本地Pycharm+ModelArts的开发环境，便于上传代码、提交训练作业和获取训练日志。
在ModelArts上创建Notebook，然后设置Sync OBS功能，可以在线修改代码并自动同步到OBS中。因为只用Notebook来编辑代码，所以创建CPU类型最低规格的Notebook就行。

适配训练作业

创建训练作业时，运行参数会通过脚本传参的方式输入给脚本代码，脚本必须解析传参才能在代码中使用相应参数。如data_url和train_url，分别对应数据存储路径(OBS路径)和训练输出路径(OBS路径)。脚本对传参进行解析后赋值到args变量里，在后续代码里可以使用。

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--data_url', required=True, default=None, help='Location of data.')
parser.add_argument('--train_url', required=True, default=None, help='Location of training outputs.')
args, unknown = parser.parse_known_args()

MindSpore暂时没有提供直接访问OBS数据的接口，需要通过ModelArts自带的moxing框架与OBS交互。

方式一，拷贝自己账户下OBS桶内的数据集至执行容器。

import moxing
# src_url形如's3://OBS/PATH'，为OBS桶中数据集的路径，dst_url为执行容器中的路径
moxing.file.copy_parallel(src_url=args.data_url, dst_url='MNIST/')

方式二（推荐），拷贝他人共享的OBS桶内的数据集至执行容器，前提是他人账户下的OBS桶已设为公共读/公共读写。若在创建桶时桶策略为私有，请参考配置标准桶策略修改为公共读/公共读写。
```
import moxing
moxing.file.copy_parallel(src_url="s3://share-course/dataset/MNIST/", dst_url='MNIST/')
```

方式三（不推荐），先关联他人私有账户，再拷贝他人账户下OBS桶内的数据集至执行容器，前提是已获得他人账户的访问密钥、私有访问密钥、OBS桶-概览-基本信息-Endpoint。

import moxing
# 设置他人账户的访问密钥, ak:Access Key Id, sk:Secret Access Key, server:endpoint of obs bucket
moxing.file.set_auth(ak='Access Key', sk='Secret Access Key', server="obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com")
moxing.file.copy_parallel(src_url="s3://share-course/dataset/MNIST/", dst_url='MNIST/')

创建训练作业

可以参考使用常用框架训练模型来创建并启动训练作业（下文给出了操作步骤）。

打开ModelArts控制台-训练管理-训练作业，点击“创建”按钮进入训练作业配置页面，创建训练作业的参考配置：

算法来源：常用框架->Ascend-Powered-Engine->MindSpore
代码目录：选择上述新建的OBS桶中的lenet5目录，用obs browser+上传

启动文件：选择上述新建的OBS桶中的lenet5目录下的main.py，快速创建算法

数据来源：数据存储位置->选择上述新建的OBS桶中的lenet5目录下的MNIST目录
训练输出位置：选择上述新建的OBS桶中的lenet5目录并在其中创建output目录
作业日志路径：同训练输出位置
规格：Ascend:1*Ascend 910
其他均为默认

启动并查看训练过程：

点击提交以开始训练；
在训练作业列表里可以看到刚创建的训练作业，在训练作业页面可以看到版本管理；
点击运行中的训练作业，在展开的窗口中可以查看作业配置信息，以及训练过程中的日志，日志会不断刷新，等训练作业完成后也可以下载日志到本地进行查看；

参考实验步骤（ModelArts Notebook），在日志中找到对应的打印信息，检查实验是否成功。

epoch: 1 step: 1875, loss is 1.9393733
epoch: 2 step: 1875, loss is 0.04649485
epoch: 3 step: 1875, loss is 0.06732483
[WARNING] SESSION(168,ffff0ffff1e0,python):2022-02-10-19:52:59.136.619 [mindspore/ccsrc/backend/session/ascend_session.cc:1806] SelectKernel] There are 4 node/nodes used reduce precision to selected the kernel!
Metrics: {'loss': 0.07129916341009682, 'acc': 0.9781650641025641}

实验步骤（ModelArts Notebook）

ModelArts Notebook资源池较小，且每个运行中的Notebook会一直占用Device资源不释放，不适合大规模并发使用（不使用时需停止实例，以释放资源）。

创建Notebook

可以参考创建并打开Notebook来创建并打开Notebook（下文给出了操作步骤）。

打开ModelArts控制台-开发环境-Notebook，点击“创建”按钮进入Notebook配置页面，创建Notebook的参考配置：

计费模式：按需计费
名称：notebook-lenet5
工作环境：公共镜像->Ascend+ARM算法开发和训练基础镜像，AI引擎预置TensorFlow和MindSpore
资源池：公共资源
类型：Ascend
规格：单卡1*Ascend 910
存储位置：对象存储服务（OBS）->选择上述新建的OBS桶中的lenet5文件夹(此为旧版操作，新版请看下面详细叙述)
自动停止：打开->选择1小时后（后续可在Notebook中随时调整）

将数据添加到并行文件系统中

创建完成后，添加数据存储

打开Notebook后，选择MindSpore环境作为Kernel。

数据拷贝

若已通过“Sync OBS”功能将OBS桶中的数据集同步到Notebook执行容器中，则跳过数据拷贝环节。若大小或数量超过同步限制，可通过ModelArts自带的moxing框架，将数据集拷贝至执行容器中。

方式一，拷贝自己账户下OBS桶内的数据集至执行容器。

import moxing
# src_url形如's3://OBS/PATH'，为OBS桶中数据集的路径，dst_url为执行容器中的路径
moxing.file.copy_parallel(src_url="s3://OBS/PATH/TO/MNIST/", dst_url='MNIST/')

方式二（推荐），拷贝他人共享的OBS桶内的数据集至执行容器，前提是他人账户下的OBS桶已设为公共读/公共读写。若在创建桶时桶策略为私有，请参考配置标准桶策略修改为公共读/公共读写。
```
import moxing
moxing.file.copy_parallel(src_url="s3://share-course/dataset/MNIST/", dst_url='MNIST/')
```

import moxing
# 设置他人账户的访问密钥, ak:Access Key Id, sk:Secret Access Key, server:endpoint of obs bucket
moxing.file.set_auth(ak='Access Key', sk='Secret Access Key', server="obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com")
moxing.file.copy_parallel(src_url="s3://share-course/dataset/MNIST/", dst_url='MNIST/')

导入模块

导入MindSpore模块和辅助模块，设置MindSpore上下文，如执行模式、设备等。

import os
# os.environ['DEVICE_ID'] = '0'

import mindspore as ms
import mindspore.context as context
import mindspore.dataset.transforms.c_transforms as C
import mindspore.dataset.vision.c_transforms as CV

from mindspore import nn
from mindspore.train import Model
from mindspore.train.callback import LossMonitor

context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target='Ascend') # Ascend, CPU, GPU

数据处理

在使用数据集训练网络前，首先需要对数据进行预处理，如下：

def create_dataset(data_dir, training=True, batch_size=32, resize=(32, 32),
                   rescale=1/(255*0.3081), shift=-0.1307/0.3081, buffer_size=64):
    data_train = os.path.join(data_dir, 'train') # train set
    data_test = os.path.join(data_dir, 'test') # test set
    ds = ms.dataset.MnistDataset(data_train if training else data_test)

    ds = ds.map(input_columns=["image"], operations=[CV.Resize(resize), CV.Rescale(rescale, shift), CV.HWC2CHW()])
    ds = ds.map(input_columns=["label"], operations=C.TypeCast(ms.int32))
    # When `dataset_sink_mode=True` on Ascend, append `ds = ds.repeat(num_epochs) to the end
    ds = ds.shuffle(buffer_size=buffer_size).batch(batch_size, drop_remainder=True)

    return ds

对其中几张图片进行可视化，可以看到图片中的手写数字，图片的大小为32x32。

import matplotlib.pyplot as plt
ds = create_dataset('data/lenet/lenet5/MNIST', training=False)#修改为挂载路径即可
data = ds.create_dict_iterator(output_numpy=True).get_next()
images = data['image']
labels = data['label']

for i in range(1, 5):
    plt.subplot(2, 2, i)
    plt.imshow(images[i][0])
    plt.title('Number: %s' % labels[i])
    plt.xticks([])
plt.show()

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-e8BL5Qv8-1644500689506)(images/mnist.png)]

定义模型

定义LeNet5模型，模型结构如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nlGq2oZ2-1644500689508)(images/lenet5.jpg)]

[1] 图片来源于http://yann.lecun.com/exdb/publis/pdf/lecun-01a.pdf

class LeNet5(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super(LeNet5, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5, stride=1, pad_mode='valid')
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5, stride=1, pad_mode='valid')
        self.relu = nn.ReLU()
        self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.fc1 = nn.Dense(400, 120)
        self.fc2 = nn.Dense(120, 84)
        self.fc3 = nn.Dense(84, 10)

    def construct(self, x):
        x = self.relu(self.conv1(x))
        x = self.pool(x)
        x = self.relu(self.conv2(x))
        x = self.pool(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.fc1(x)
        x = self.fc2(x)
        x = self.fc3(x)

        return x

训练

使用MNIST数据集对上述定义的LeNet5模型进行训练。训练策略如下表所示，可以调整训练策略并查看训练效果，要求验证精度大于95%。

batch size	number of epochs	learning rate	optimizer
32	3	0.01	Momentum 0.9

def train(data_dir, lr=0.01, momentum=0.9, num_epochs=3):
    ds_train = create_dataset(data_dir)
    ds_eval = create_dataset(data_dir, training=False)

    net = LeNet5()
    loss = nn.loss.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction='mean')
    opt = nn.Momentum(net.trainable_params(), lr, momentum)
    loss_cb = LossMonitor(per_print_times=ds_train.get_dataset_size())

    model = Model(net, loss, opt, metrics={'acc', 'loss'})
    # dataset_sink_mode can be True when using Ascend
    model.train(num_epochs, ds_train, callbacks=[loss_cb], dataset_sink_mode=False)
    metrics = model.eval(ds_eval, dataset_sink_mode=False)
    print('Metrics:', metrics)

train('data/lenet/lenet5/MNIST/')#此处我们修改为自己的挂载路径即可

epoch: 1 step 1875, loss is 0.23394052684307098
epoch: 2 step 1875, loss is 0.4737345278263092
epoch: 3 step 1875, loss is 0.07734094560146332
Metrics: {'loss': 0.10531254443608654, 'acc': 0.9701522435897436}

训练完成。

实验步骤（本地CPU/GPU/Ascend）

MindSpore还支持在本地CPU/GPU/Ascend环境上运行，如Windows/Ubuntu x64笔记本，NVIDIA GPU服务器，以及Atlas Ascend服务器等。在本地环境运行实验前，需要先参考安装教程配置环境。

在Windows/Ubuntu x64笔记本上运行实验：

# 编辑main.py 将第15行的context设置为`device_target='CPU'或者'GPU'
python main.py --data_url=D:\dataset\MNIST

至此复现全部完成。

在Ascend服务器上运行实验：

vim main.py # 将第15行的context设置为`device_target='Ascend'`
python main.py --data_url=/PATH/TO/MNIST

实验小结

本实验展示了如何使用MindSpore进行手写数字识别，以及开发和训练LeNet5模型。通过对LeNet5模型做几代的训练，然后使用训练后的LeNet5模型对手写数字进行识别，识别准确率大于95%。即LeNet5学习到了如何进行手写数字识别。

基于LeNet5的手写数字识别，在ModelArts和GPU上复现