MXnet的学习笔记，这次主要是使用MXnet提供的example模型进行训练时如何加载数据集的介绍。步骤基本上按照MXNet Python Data Loading API。
有关MXnet在OSX下的编译安装，可以看这里Mac下编译安装MXNet。
有关MXnet提供的example的综述介绍<-在这里。

Sample iterator for data loading

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在浏览完MXnet提供的example后想要在自己的机器上跑一下简单的数据集看看结果。因为现在只是装在自己的MBA上，没有装CUDA和OpenMP，也没有使用GPU训练，因此只能跑一跑简单的数据集。MXnet的Image Classification Example中的样例都比较完整，使用步骤也很详细，训练最基本的MNIST数据集基本上不需要多余的工作量，只要能联网下载MNIST数据集（或者自己有数据集的话移动到对应文件夹下）就可以直接训练，效果也挺不错：

→ python train_mnist.py 
2016-05-23 08:51:41,616 Node[0] start with arguments Namespace(batch_size=128, data_dir='mnist/', gpus=None, kv_store='local', load_epoch=None, lr=0.1, lr_factor=1, lr_factor_epoch=1, model_prefix=None, network='mlp', num_epochs=10, num_examples=60000, save_model_prefix=None)
[08:51:45] src/io/iter_mnist.cc:91: MNISTIter: load 60000 images, shuffle=1, shape=(128,784)
[08:51:46] src/io/iter_mnist.cc:91: MNISTIter: load 10000 images, shuffle=1, shape=(128,784)
2016-05-23 08:51:46,460 Node[0] Start training with [cpu(0)]
...
2016-05-23 08:52:02,548 Node[0] Epoch[9] Batch [450]    Speed: 41054.59 samples/sec Train-top_k_accuracy_20=1.000000
2016-05-23 08:52:02,605 Node[0] Epoch[9] Resetting Data Iterator
2016-05-23 08:52:02,605 Node[0] Epoch[9] Time cost=1.470
2016-05-23 08:52:02,750 Node[0] Epoch[9] Validation-accuracy=0.977464
2016-05-23 08:52:02,750 Node[0] Epoch[9] Validation-top_k_accuracy_5=0.999299
2016-05-23 08:52:02,750 Node[0] Epoch[9] Validation-top_k_accuracy_10=1.000000
2016-05-23 08:52:02,750 Node[0] Epoch[9] Validation-top_k_accuracy_20=1.000000

默认的参数为：batch-size=128，初始学习率为0.1（固定学习率，lr_factor_epoch=1），使用最基本的多层感知机MLP进行训练。每个epoch耗时大约1.5秒左右，在10次迭代后测试集的accuracy达到0.977464。
其实在测试的时候看到Validation-accuracy时就有在想指的是cross-validation的accuracy还是test的accuracy，因此这时候就可以先去看看MXnet中到底是怎么读取数据、怎么使用KVstore的。

根据官方文档的介绍，MXnet使用iterator将参数传递给训练模型。这里的iterator会做一些数据预处理，并且生成指定大小的batch输入训练模型。
由于MNIST的数据比较简单，example里面提供了载入MNIST数据集的iterator实现，如下：

def get_iterator(data_shape):
    def get_iterator_impl(args, kv):
        data_dir = args.data_dir
        # 若指定位置没有MNIST数据集则会调用_download()函数联网下载
        if '://' not in args.data_dir:
            _download(args.data_dir)
        # data_shape变量为输入数据的格式。对于MNIST：
        # 若使用MLP进行训练，输入数据为有784个元素的一维向量，data_shape = (784, )
        # 若使用LeNet进行训练，输入数据为一个28*28的矩阵，data_shape = (1, 28, 28)
        # 因此若len(data_shape)不等于3时，设置flat变量为True，即对MNIST每一个输入数据一维扁平化
        flat = False if len(data_shape) == 3 else True

        # 训练集的参数指定
        train           = mx.io.MNISTIter(
            image       = data_dir + "train-images-idx3-ubyte",
            label       = data_dir + "train-labels-idx1-ubyte",
            input_shape = data_shape,
            batch_size  = args.batch_size,
            ## A commonly mistake is forgetting shuffle the image list during packing.
            ## This will lead fail of training.
            ## eg. accuracy keeps 0.001 for several rounds.
            shuffle     = True,
            flat        = flat,
            num_parts   = kv.num_workers,
            part_index  = kv.rank)

        # 测试集的参数指定
        val = mx.io.MNISTIter(
            image       = data_dir + "t10k-images-idx3-ubyte",
            label       = data_dir + "t10k-labels-idx1-ubyte",
            input_shape = data_shape,
            batch_size  = args.batch_size,
            flat        = flat,
            num_parts   = kv.num_workers,
            part_index  = kv.rank)

        return (train, val)
    return get_iterator_impl

在 train_mnist.py 的main函数里，会调用get_iterator()函数得到输入的iterator，传递给train_model.fit()函数执行真正的训练过程。
在之前的example介绍里有说到，Image Classification（包括后面基于CNN的很多其它网络）的不同网络结构运用在不同的数据集上，最后都是回到调用train_model.fit()函数进行训练。因此输入数据的获取和iterator的定义都在对应的 train_{mnist, cifar10, imagenet}.py 中，最简单的定义就如上面的代码所示。

Build your own iterator

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MNIST输入数据的格式类型分为recordio,MNIST和csv。MNIST数据集的参数指定较为简单，上面的例子基本都覆盖到了。有关csv和MNIST数据集的更多参数指定信息<--点击链接。
对于图片数据集(recordio格式的数据)，在创建iterator时，一般需要指定的参数有五类，包括：

1. 数据集参数 (Dataset Param)，提供了数据集的基本信息，如数据文件地址、数据形状（即前例中的input_shape）等等。
2. 批参数 (Batch Param) 提供了形成batch的信息，比如batch size。
3. Augmentation Param 可以设定对数据集预处理的参数，比如mean_image（将图像中的每个像素减去图片像素均值），rand_crop（随机对图像进行部分切割），rand_mirror（随机对图像进行水平对称变换）等等。
4. 后台参数 (Backend Param) 控制后台线程来隐藏读取数据的开销的相关参数，如preprocess_threads设定后台预读取线程数量，prefetch_buffer设定预读取buffer的大小。
5. 辅助参数 (Auxiliary Param) 提供用于调试的参数设定，如verbose设定是否要输出parser信息。

具体的参数定义可以看官方文档：I/O API。

Use your own data

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要使用自己的数据集（或者ImageNet数据集），由于MXnet没有提供类似MNIST和cifar的自动下载和加载脚本将原始数据转换为ImageRecord数据，因此需要自己进行数据格式转换。
不过将数据转换为ImageRecord格式也很简单：

• 首先将图像存储为压缩过的格式（比如.jpg），以降低数据量。
• 使用MXnet提供的make_list[./mxnet/tools/make_list.py]工具生成lst文件，lst文件的格式为

integer_image_index \t label_index \t path_to_image

make_list接受的参数包括

• chunks[int]：将原始数据集分成chunks块，得到chunks个数据量相同但对应数据不同的lst文件，默认值为1。
• train_ratio[float]：指定每个chunk内用于训练的数据所占的比例，可以设置不同的训练集－测试集比，默认值为1（即所有数据用于训练）。
• exts[list]：接受的输入数据格式，默认值为{.jpg,.jpeg}。
• recursive[bool]：若设定为TRUE且原始数据集已经按照label放在了不同的子文件夹中，则make_list会自动为每个子文件夹内的数据标记对应的label_index，否则所有的数据都标注统一 label_index = 0，默认值为FALSE。
• 使用MXnet提供的im2rec[./mxnet/tools/im2rec.{cc,py}]工具（提供C++版本和Python版本），通过原始数据和lst文件得到ImageRecord格式的数据供MXnet使用。若不指定lst文件则使用与make_list相同的方法先生成lst文件再生成ImageRecord文件。im2rec除了有make_list相同的参数外，在生成ImageRecord部分的参数还有
  • resize[int, default = 0]：等比例缩放图片，将图片短边设置为指定大小。
  • center_crop[bool, default = FALSE]：截取图片中间的方形部分，方形边长为短边长。
  • quality[int, default = 80]：设定图像的质量（.jpg:1-100, .png:1-9）。
  • num_thread[int, default = 1]：若使用多线程进行数据格式转换，则生成图像顺序会与输入list的不同。
  • color[int, default = 1, choice = {-1, 0, 1}]：输入图像的color mode，若为1则直接读如彩色数据，0为灰度模式，-1为使用alpha channel（<--这个应该是图像处理领域的专业知识，我也不是很理解）。
  • encoding[str, default = .jpg, choice = {.jpg, .png}]：图像转换后保存的格式。

这边会遇到一点问题，如果调用im2rec.py的时候提示

No module named cv

的话，网上查询到的原因是没安装openCV（不过其实之前装了……）
那只要把代码中

import cv, cv2

中的cv去掉即可，后续好像只使用到了cv2库中的内容，不需要cv。

然后就可以在MXnet中使用自己的数据集了。