使用 PyTorch 实现简化版 GoogLeNet 进行 MNIST 图像分类

介绍

        本文将介绍如何使用 PyTorch 实现一个简化版的 GoogLeNet 网络来进行 MNIST 图像分类。GoogLeNet 是 Google 提出的深度卷积神经网络(CNN),其通过 Inception 模块大大提高了计算效率并提升了分类性能。我们将实现一个简化版的 GoogLeNet,用于处理 MNIST 数据集,该数据集由手写数字图片组成,适合用于小规模的图像分类任务。

项目结构

        我们将代码分为两个部分:

  • 训练脚本 train.py:包括数据加载、模型构建、训练过程等。
  • 测试脚本 test.py:用于加载训练好的模型并在测试集上评估性能。

项目依赖

        在开始之前,我们需要安装以下 Python 库:

  • torch:PyTorch 深度学习框架
  • torchvision:提供数据加载和图像变换功能
  • matplotlib:用于可视化

        可以通过以下命令安装所有依赖:

pip install -r requirements.txt

  requirements.txt 文件内容如下:

torch==2.0.1
torchvision==0.15.0
matplotlib==3.6.3

数据预处理与加载

1. 数据加载和预处理

        在训练模型之前,我们需要对 MNIST 数据集进行预处理。以下是数据加载和预处理的代码:

import torch
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms

def get_data_loader(batch_size=64, train=True):
    transform = transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))  # 正规化到 [-1, 1] 范围
    ])

    dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=train, download=True, transform=transform)
    return DataLoader(dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True, pin_memory=True, num_workers=4)

        这里

### 回答1: 好的,非常感谢您的提问!以下是针对您的问题的回答: 首先,为了在GPU上运行神经网络,我们需要确保正确安装并配置了PyTorch,同时还需要确保设备上有相应的CUDA库。 接下来,以下是使用PyTorch实现手写数字识别的示例代码: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim import torchvision import torchvision.transforms as transforms # 定义数据转换 transform = transforms.Compose( [transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))]) # 加载数据集并应用数据转换 trainset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=64, shuffle=True, num_workers=2) testset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform) testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=64, shuffle=False, num_workers=2) # 定义模型 class Net(nn.Module): def __init__(self): super(Net, self).__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5) self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2) self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5) self.fc1 = nn.Linear(16 * 4 * 4, 120) self.fc2 = nn.Linear(120, 84) self.fc3 = nn.Linear(84, 10) def forward(self, x): x = self.pool(torch.relu(self.conv1(x))) x = self.pool(torch.relu(self.conv2(x))) x = x.view(-1, 16 * 4 * 4) x = torch.relu(self.fc1(x)) x = torch.relu(self.fc2(x)) x = self.fc3(x) return x # 实例化模型、定义损失函数和优化器 net = Net() criterion = nn.CrossEntropyLoss() optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9) # 训练模型 for epoch in range(5): # 按需修改训练轮数 running_loss = 0.0 for i, data in enumerate(trainloader, 0): inputs, labels = data optimizer.zero_grad() outputs = net(inputs) loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() running_loss += loss.item() if i % 200 == 199: # 每训练200批次输出一次结果 print('[%d, %5d] loss: %.3f' % (epoch + 1, i + 1, running_loss / 200)) running_loss = 0.0 # 在测试集上对模型进行评估 correct = 0 total = 0 with torch.no_grad(): for data in testloader: images, labels = data outputs = net(images) _, predicted = torch.max(outputs.data, 1) total += labels.size(0) correct += (predicted == labels).sum().item() print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % ( 100 * correct / total)) ``` 以上代码使用卷积神经网络(CNN)实现手写数字识别,并通过训练和测试数据集评估模型的性能。您可以下载并安装PyTorch,将以上代码复制到Python解释器中并执行它,即可开始训练神经网络模型。 同时,您也可以使用其他预训练模型(如GoogleNet、ResNet等)来实现手写数字识别,虽然这些模型通常用于更复杂的图像分类任务。PyTorch提供了一个模型库(`torchvision.models`),您可以从中选择一个模型并使用它来训练和测试您的手写数字识别任务。 ### 回答2: 在PyTorch平台上使用完整的Python代码实现手写数字识别可以通过调用GoogLeNet和ResNet这两个经典的神经网络模型来完成。以下是运行该代码并在GPU上运行结果及图像的步骤: 首先,导入所需的库和模块: ```python import torch import torchvision from torchvision import transforms from PIL import Image ``` 然后,定义图像转换的预处理操作和加载手写数字图像的函数: ```python preprocess = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5, ), (0.5, )) ]) def load_image(image_path): image = Image.open(image_path).convert('L') image = preprocess(image) image = torch.unsqueeze(image, 0) return image ``` 接下来,加载预训练的GoogLeNet和ResNet模型: ```python googlenet = torchvision.models.googlenet(pretrained=True) resnet = torchvision.models.resnet50(pretrained=True) ``` 然后,使用GPU进行模型计算: ```python device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu") googlenet.to(device) resnet.to(device) ``` 接下来,定义手写数字识别函数并使用模型进行预测: ```python def predict(model, image): image = image.to(device) output = model(image) _, predicted = torch.max(output.data, 1) return predicted.item() image_path = 'path_to_handwritten_image.jpg' image = load_image(image_path) googlenet_prediction = predict(googlenet, image) resnet_prediction = predict(resnet, image) ``` 最后,输出预测结果并保存图像: ```python print("GoogLeNet Prediction:", googlenet_prediction) print("ResNet Prediction:", resnet_prediction) image.save("path_to_saved_image.jpg") ``` 运行该代码,在GPU上进行计算后,将输出GoogLeNet和ResNet模型对手写数字图像的识别结果,并保存识别结果图像。 注意:上述代码中,`path_to_handwritten_image.jpg`为手写数字图像的路径,`path_to_saved_image.jpg`为保存识别结果图像的路径。 ### 回答3: 在PyTorch平台上使用完整的Python代码可以使用GoogLeNet和ResNet这两个经典的神经网络来实现手写数字识别。首先,需要导入PyTorch和相关的库。 ```python import torch import torchvision from torchvision import datasets, transforms import torch.nn as nn import torch.optim as optim import matplotlib.pyplot as plt ``` 接下来,定义用于训练和测试的转换操作。 ```python transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) ]) ``` 然后,加载手写数字数据集。 ```python trainset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) testset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform) ``` 定义数据加载器。 ```python trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=64, shuffle=True, num_workers=2) testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=64, shuffle=False, num_workers=2) ``` 接下来,定义GoogLeNet和ResNet模型。 ```python class GoogLeNet(nn.Module): # 定义GoogLeNet模型的结构,具体实现可以参考PyTorch官方文档 ... class ResNet(nn.Module): # 定义ResNet模型的结构,具体实现可以参考PyTorch官方文档 ... ``` 接下来,进行模型的训练和测试。 ```python def train(model): criterion = nn.CrossEntropyLoss() optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9) for epoch in range(5): running_loss = 0.0 for i, data in enumerate(trainloader, 0): inputs, labels = data optimizer.zero_grad() outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() running_loss += loss.item() if i % 100 == 99: print('[%d, %5d] loss: %.3f' % (epoch + 1, i + 1, running_loss / 100)) running_loss = 0.0 print('Finished Training') def test(model): correct = 0 total = 0 with torch.no_grad(): for data in testloader: images, labels = data outputs = model(images) _, predicted = torch.max(outputs.data, 1) total += labels.size(0) correct += (predicted == labels).sum().item() print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % ( 100 * correct / total)) ``` 最后,对GoogLeNet和ResNet模型进行训练和测试,并输出准确率。 ```python googlenet = GoogLeNet() resnet = ResNet() # 将模型转换为GPU上运行 googlenet.cuda() resnet.cuda() # 训练和测试 train(googlenet) test(googlenet) train(resnet) test(resnet) ``` 运行代码后,将输出训练过程中每个epoch的损失值,并最终输出GoogLeNet和ResNet模型在测试集上的准确率。同时,你可以保存一些图像样例,以便进一步分析。 请注意,此处给出的代码框架是一个简化版本,需要根据具体的GoogLeNet和ResNet模型结构进行实现
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