最近参加了百度AI Studio课程《百度架构师手把手带你零基础实践深度学习》，觉得内容讲得好，很有启发，特此记录学习笔记。

机器学习与深度学习

首先说说机器学习与深度学习的关系，课程里对这两的描述非常清楚。

机器学习的实现可以分成两步：训练和预测，类似于我们熟悉的归纳和演绎：

• 归纳：从具体案例中抽象一般规律，机器学习中的“训练”亦是如此。从一定数量的样本（已知模型输入X和模型输出Y）中，学习输出Y与输入X的关系（可以想象成是某种表达式）。
• 演绎：从一般规律推导出具体案例的结果，机器学习中的“预测”亦是如此。基于训练得到的Y与X之间的关系，如出现新的输入X，计算出输出Y。通常情况下，如果通过模型计算的输出和真实场景的输出一致，则说明模型是有效的。

机器学习的方法论
模型假设、评价函数（损失/优化目标）和优化算法是构成模型的三个部分。

• 模型假设：世界上的可能关系千千万，漫无目标的试探Y与X之间的关系是十分低效的。因此假设空间先圈定了一个模型能够表达的关系可能。机器进一步在假设圈定的模型内寻找最优的Y~X关系，即确定参数W。
• 评价函数：寻找最优之前，我们需要先定义什么是最优，即评价一个Y~X关系的好坏的指标。通常衡量该关系是否能很好的拟合现有观测样本，将拟合的误差最小作为优化目标。
• 优化算法：设置了评价指标后，就可以在假设圈定的模型范围内，将使得评价指标最优（损失函数最小/最拟合已有观测样本）的Y~X关系找出来，这个寻找的方法即为优化算法。最笨的优化算法即按照参数的可能，穷举每一个可能取值来计算损失函数，保留使得损失函数最小的参数作为最终结果。

机器执行学习的框架体现了其学习的本质是“参数估计”（Learning is parameter estimation）。在此基础上，许多看起来完全不一样的问题都可以使用同样的框架进行学习，如科学定律、图像识别、机器翻译和自动问答等，它们的学习目标都是拟合一个“大公式”，如下图所示。

举一个例子：以H为模型的假设，它是一个关于参数W和输入X的函数，用H(W,X)表示。模型的优化目标是H(W,X)的输出与真实输出Y尽量一致，两者的相差程度即是模型效果的评价函数（相差越小越好）。那么，确定参数的过程就是在已知的样本上，不断减小该评价函数（H(W,X) 和Y相差）的过程，直到学习到一个参数W，使得评价函数的取值最小。这个衡量模型预测值和真实值差距的评价函数也被称为损失函数（损失Loss）。

深度学习在语音、计算机视觉和自然语言处理等领域，比传统机器学习算法有显著提升。其实两者在理论结构上是一致的，即：模型假设、评价函数和优化算法，其根本差别在于假设的复杂度，如下图所示。

人脑可以接收到五颜六色的光学信号，能用极快的速度反应出上图是一位美女。但对计算机而言，只能接收到一个数字矩阵，对于美女这种高级的语义概念，从像素到高级语义概念中间要经历的信息变换的复杂性是难以想象的！这种变换已经无法用数学公式表达，因此研究者们借鉴了人脑神经元的结构，设计出神经网络的模型。

通俗的讲，深度学习的模型可以视为是输入到输出的映射函数，如图像到高级语义（美女）的映射，足够深的神经网络理论上可以拟合任何复杂的函数。因此神经网络非常适合学习样本数据的内在规律和表示层次，对文字、图像和语音任务有很好的适用性。

PaddlePaddle

飞桨集深度学习核心框架、基础模型库、端到端开发套件、工具组件和服务平台于一体，支持本地和云端两种开发和部署模式，用户可以根据业务需求灵活选择。

PaddlePaddle手写数字识别

下图是构建深度学习模型的一个结构图，一目了然！

数据处理的优化方法：通过调用飞桨提供的API（paddle.dataset.mnist）加载MNIST数据集。但在工业实践中，我们面临的任务和数据环境千差万别，通常需要自己编写适合当前任务的数据处理程序，一般涉及如下五个环节：读入数据 > 划分数据集 > 生成批次数据 > 训练样本集乱序 > 校验数据有效性

【注意】:可以使用异步读取，读取到的数据不断的放入缓存区，无需等待模型训练就可以启动下一轮数据读取。当模型训练完一个批次后，不用等待数据读取过程，直接从缓存区获得下一批次数据进行训练，从而加快了数据读取速度。

# 加载相关库
import os
import random
import paddle
import paddle.fluid as fluid
from paddle.fluid.dygraph.nn import Conv2D, Pool2D, Linear
import numpy as np
from PIL import Image

import gzip
import json

# 定义数据集读取器
def load_data(mode='train'):

    # 读取数据文件
    datafile = './work/mnist.json.gz'
    print('loading mnist dataset from {} ......'.format(datafile))
    data = json.load(gzip.open(datafile))
    # 读取数据集中的训练集，验证集和测试集
    train_set, val_set, eval_set = data

    # 数据集相关参数，图片高度IMG_ROWS, 图片宽度IMG_COLS
    IMG_ROWS = 28
    IMG_COLS = 28
    # 根据输入mode参数决定使用训练集，验证集还是测试
    if mode == 'train':
        imgs = train_set[0]
        labels = train_set[1]
    elif mode == 'valid':
        imgs = val_set[0]
        labels = val_set[1]
    elif mode == 'eval':
        imgs = eval_set[0]
        labels = eval_set[1]
    # 获得所有图像的数量
    imgs_length = len(imgs)
    # 验证图像数量和标签数量是否一致
    assert len(imgs) == len(labels), \
          "length of train_imgs({}) should be the same as train_labels({})".format(
                  len(imgs), len(labels))

    index_list = list(range(imgs_length))

    # 读入数据时用到的batchsize
    BATCHSIZE = 100

    # 定义数据生成器
    def data_generator():
        # 训练模式下，打乱训练数据
        if mode == 'train':
            random.shuffle(index_list)
        imgs_list = []
        labels_list = []
        # 按照索引读取数据
        for i in index_list:
            # 读取图像和标签，转换其尺寸和类型
            img = np.reshape(imgs[i], [1, IMG_ROWS, IMG_COLS]).astype('float32')
            label = np.reshape(labels[i], [1]).astype('int64')
            imgs_list.append(img) 
            labels_list.append(label)
            # 如果当前数据缓存达到了batch size，就返回一个批次数据
            if len(imgs_list) == BATCHSIZE:
                yield np.array(imgs_list), np.array(labels_list)
                # 清空数据缓存列表
                imgs_list = []
                labels_list = []

        # 如果剩余数据的数目小于BATCHSIZE，
        # 则剩余数据一起构成一个大小为len(imgs_list)的mini-batch
        if len(imgs_list) > 0:
            yield np.array(imgs_list), np.array(labels_list)

    return data_generator


# 定义模型结构
class MNIST(fluid.dygraph.Layer):
     def __init__(self):
         super(MNIST, self).__init__()
         
         # 定义一个卷积层，使用relu激活函数
         self.conv1 = Conv2D(num_channels=1, num_filters=20, filter_size=5, stride=1, padding=2, act='relu')
         # 定义一个池化层，池化核为2，步长为2，使用最大池化方式
         self.pool1 = Pool2D(pool_size=2, pool_stride=2, pool_type='max')
         # 定义一个卷积层，使用relu激活函数
         self.conv2 = Conv2D(num_channels=20, num_filters=20, filter_size=5, stride=1, padding=2, act='relu')
         # 定义一个池化层，池化核为2，步长为2，使用最大池化方式
         self.pool2 = Pool2D(pool_size=2, pool_stride=2, pool_type='max')
         # 定义一个全连接层，输出节点数为10 
         self.fc = Linear(input_dim=980, output_dim=10, act='softmax')
    # 定义网络的前向计算过程
     def forward(self, inputs, label):
         x = self.conv1(inputs)
         x = self.pool1(x)
         x = self.conv2(x)
         x = self.pool2(x)
         x = fluid.layers.reshape(x, [x.shape[0], 980])
         x = self.fc(x)
         if label is not None:
             acc = fluid.layers.accuracy(input=x, label=label)
             return x, acc
         else:
             return x

#调用加载数据的函数
train_loader = load_data('train')
    
#在使用GPU机器时，可以将use_gpu变量设置成True
use_gpu = False
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_gpu else fluid.CPUPlace()

with fluid.dygraph.guard(place):
    model = MNIST()
    model.train() 
    
    #四种优化算法的设置方案，可以逐一尝试效果
    optimizer = fluid.optimizer.SGDOptimizer(learning_rate=0.01, parameter_list=model.parameters())
    #optimizer = fluid.optimizer.MomentumOptimizer(learning_rate=0.01, momentum=0.9, parameter_list=model.parameters())
    #optimizer = fluid.optimizer.AdagradOptimizer(learning_rate=0.01, parameter_list=model.parameters())
    #optimizer = fluid.optimizer.AdamOptimizer(learning_rate=0.01, parameter_list=model.parameters())
    
    EPOCH_NUM = 5
    for epoch_id in range(EPOCH_NUM):
        for batch_id, data in enumerate(train_loader()):
            #准备数据
            image_data, label_data = data
            image = fluid.dygraph.to_variable(image_data)
            label = fluid.dygraph.to_variable(label_data)
            
            #前向计算的过程，同时拿到模型输出值和分类准确率
            predict, acc = model(image, label)
            
            #计算损失，取一个批次样本损失的平均值
            loss = fluid.layers.cross_entropy(predict, label)
            avg_loss = fluid.layers.mean(loss)
            
            #每训练了200批次的数据，打印下当前Loss的情况
            if batch_id % 200 == 0:
                print("epoch: {}, batch: {}, loss is: {}, acc is {}".format(epoch_id, batch_id, avg_loss.numpy(), acc.numpy()))
            
            #后向传播，更新参数的过程
            avg_loss.backward()
            optimizer.minimize(avg_loss)
            model.clear_gradients()

    #保存模型参数
    fluid.save_dygraph(model.state_dict(), 'mnist')