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3.5_fashion-mnist.md

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3.5. 图像分类数据集（Fashion-MNIST）

在介绍softmax回归的实现前我们先引入一个多类图像分类数据集。它将在后面的章节中被多次使用，以方便我们观察比较算法之间在模型精度和计算效率上的区别。图像分类数据集中最常用的是手写数字识别数据集MNIST [1]。但大部分模型在MNIST上的分类精度都超过了95%。为了更直观地观察算法之间的差异，我们将使用一个图像内容更加复杂的数据集Fashion-MNIST [2]。

3.5.1. 获取数据集

首先导入本节需要的包或模块。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import numpy as np
import time
import sys
import matplotlib.pyplot as plt

下面，我们通过keras的dataset包来下载这个数据集。第一次调用时会自动从网上获取数据。我们通过参数train来指定获取训练数据集或测试数据集（testing data set）。测试数据集也叫测试集（testing set），只用来评价模型的表现，并不用来训练模型。

from tensorflow.keras.datasets import fashion_mnist
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = fashion_mnist.load_data()

训练集中和测试集中的每个类别的图像数分别为6,000和1,000。因为有10个类别，所以训练集和测试集的样本数分别为60,000和10,000。

len(x_train),len(x_test)
(60000, 10000)

我们可以通过方括号[]来访问任意一个样本，下面获取第一个样本的图像和标签。

feature,label=x_train[0],y_train[0]

变量feature对应高和宽均为28像素的图像。每个像素的数值为0到255之间8位无符号整数（uint8）。它使用二维的numpy.ndarray存储。因为数据集中是灰度图像，所以只有两个维度，不需要第三个维度来区分通道。为了表述简洁，我们将高和宽分别为 h 和 w 像素的图像的形状记为 h×w 或（h，w）。

feature.shape, feature.dtype
((28, 28), dtype('uint8'))

图像的标签使用NumPy的标量表示。注意，在keras的fashion_mnist数据和原书mxnet提供的数据集有差别

label, type(label), label.dtype
(9, numpy.uint8, dtype('uint8'))

Fashion-MNIST中一共包括了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）。以下函数可以将数值标签转成相应的文本标签。

def get_fashion_mnist_labels(labels):
    text_labels = ['t-shirt', 'trouser', 'pullover', 'dress', 'coat',
                   'sandal', 'shirt', 'sneaker', 'bag', 'ankle boot']
    return [text_labels[int(i)] for i in labels]

下面定义一个可以在一行里画出多张图像和对应标签的函数。

def show_fashion_mnist(images, labels):
    _, figs = plt.subplots(1, len(images), figsize=(12, 12))
    for f, img, lbl in zip(figs, images, labels):
        f.imshow(img.reshape((28, 28)))
        f.set_title(lbl)
        f.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        f.axes.get_yaxis().set_visible(False)
    plt.show()

现在，我们看一下训练数据集中前9个样本的图像内容和文本标签

X, y = [], []
for i in range(10):
    X.append(x_train[i])
    y.append(y_train[i])
show_fashion_mnist(X, get_fashion_mnist_labels(y))

3.5.2. 读取小批量

我们将在训练数据集上训练模型，并将训练好的模型在测试数据集上评价模型的表现。虽然我们可以像“线性回归的从零开始实现”一节中那样通过yield来定义读取小批量数据样本的函数，但为了代码简洁，这里我们直接创建DataLoader实例。该实例每次读取一个样本数为batch_size的小批量数据。这里的批量大小batch_size是一个超参数。

此外，我们通过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到1之间。ToTensor实例还将图像通道从最后一维移到最前一维来方便之后介绍的卷积神经网络计算。通过数据集的transform_first函数，我们将ToTensor的变换应用在每个数据样本（图像和标签）的第一个元素，即图像之上。

batch_size = 256
if sys.platform.startswith('win'):
    num_workers = 0  # 0表示不用额外的进程来加速读取数据
else:
    num_workers = 4
train_iter = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(256)

最后我们查看读取一遍训练数据需要的时间。

start = time.time()
for X, y in train_iter:
    continue
print('%.2f sec' % (time.time() - start))
0.22 sec

3.5.3. 小结

  • Fashion-MNIST是一个10类服饰分类数据集，之后章节里将使用它来检验不同算法的表现。
  • 我们将高和宽分别为 h 和 w 像素的图像的形状记为 h×w 或（h，w）。