【学习笔记】torch.nn.MaxPool2d参数解释

本文详细介绍了PyTorch中MaxPool2d模块的工作原理,包括其在2D输入上的作用方式,参数如kernel_size、stride、padding和dilation的影响,以及如何计算输出尺寸。通过实例展示了不同参数设置下的池化操作,并强调了在需要最大值索引时return_indices参数的重要性。
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class torch.nn.MaxPool2d(kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False, ceil_mode=False)
如下是MaxPool2d的解释:

class MaxPool2d(_MaxPoolNd):
    r"""Applies a 2D max pooling over an input signal composed of several input
    planes.

    In the simplest case, the output value of the layer with input size :math:`(N, C, H, W)`,output :math:`(N, C, H_{out}, W_{out})` and :attr:`kernel_size` :math:`(kH, kW)`can be precisely described as:

    .. math::
        \begin{aligned}
            out(N_i, C_j, h, w) ={} & \max_{m=0, \ldots, kH-1} \max_{n=0, \ldots, kW-1} \\
                                    & \text{input}(N_i, C_j, \text{stride[0]} \times h + m,
                                                   \text{stride[1]} \times w + n)
        \end{aligned}

    If :attr:`padding` is non-zero, then the input is implicitly zero-padded on both sides 
    for :attr:`padding` number of points. :attr:`dilation` controls the spacing between the kernel points.
    It is harder to describe, but this `link`_ has a nice visualization of what :attr:`dilation` does.

    The parameters :attr:`kernel_size`, :attr:`stride`, :attr:`padding`, :attr:`dilation` can either be:

        - a single ``int`` -- in which case the same value is used for the height and width dimension
        - a ``tuple`` of two ints -- in which case, the first `int` is used for the height dimension, and the second `int` for the width dimension

    Args:
        kernel_size: the size of the window to take a max over
        stride: the stride of the window. Default value is :attr:`kernel_size`
        padding: implicit zero padding to be added on both sides
        dilation: a parameter that controls the stride of elements in the window
        return_indices: if ``True``, will return the max indices along with the outputs.
                        Useful for :class:`torch.nn.MaxUnpool2d` later
        ceil_mode: when True, will use `ceil` instead of `floor` to compute the output shape

    Shape:
        - Input: :math:`(N, C, H_{in}, W_{in})`
        - Output: :math:`(N, C, H_{out}, W_{out})`, where

          .. math::
              H_{out} = \left\lfloor\frac{H_{in} + 2 * \text{padding[0]} - \text{dilation[0]}
                    \times (\text{kernel\_size[0]} - 1) - 1}{\text{stride[0]}} + 1\right\rfloor

          .. math::
              W_{out} = \left\lfloor\frac{W_{in} + 2 * \text{padding[1]} - \text{dilation[1]}
                    \times (\text{kernel\_size[1]} - 1) - 1}{\text{stride[1]}} + 1\right\rfloor

    Examples::

        >>> # pool of square window of size=3, stride=2
        >>> m = nn.MaxPool2d(3, stride=2)
        >>> # pool of non-square window
        >>> m = nn.MaxPool2d((3, 2), stride=(2, 1))
        >>> input = torch.randn(20, 16, 50, 32)
        >>> output = m(input)

    .. _link:
        https://github.com/vdumoulin/conv_arithmetic/blob/master/README.md
    """

    def forward(self, input):
        return F.max_pool2d(input, self.kernel_size, self.stride,
                            self.padding, self.dilation, self.ceil_mode,
                            self.return_indices)

大致解释为:
在由多个输入通道组成的输入信号上应用2D max池。

在最简单的情况下,具有输入大小的层的输出值:(N, C, H, W)
输出:(N, C, H_{out}, W_{out})kernel_size,和 (kH, kW)可以准确地描述为:

out(N_i, C_j, h, w) ={} & \max_{m=0, \ldots, kH-1} \max_{n=0, \ldots, kW-1} \\
                                    & \text{input}(N_i, C_j, \text{stride[0]} \times h + m,
                                                   \text{stride[1]} \times w + n)

如果 padding 非零,那么输入的两边都隐式地被0填充;dilation用于控制内核点之间的距离
这里很好地展示了 diagration 的作用。

这些参数:kernel_sizestridepadding, ,dilation 可以为:
-单个int值–在这种情况下,高度和宽度标注使用相同的值
-两个整数组成的数组——在这种情况下,第一个int用于高度维度,第二个int表示宽度

参数:

kernel_size(int or tuple) :max pooling的窗口大小
stride(int or tuple, optional):max pooling的窗口移动的步长。默认值是kernel_size
padding(int or tuple, optional) :输入的每一条边补充0的层数
dilation(int or tuple, optional):一个控制窗口中元素步幅的参数
return_indices :如果等于True,会返回输出最大值的序号,对于上采样操作会有帮助
ceil_mode :如果等于True,计算输出信号大小的时候,会使用向上取整,代替默认的向下取整的操作

Shape:
        - Input: :math:`(N, C, H_{in}, W_{in})`
        - Output: :math:`(N, C, H_{out}, W_{out})`, where

          .. math::
              H_{out} = \left\lfloor\frac{H_{in} + 2 * \text{padding[0]} - \text{dilation[0]}
                    \times (\text{kernel\_size[0]} - 1) - 1}{\text{stride[0]}} + 1\right\rfloor

          .. math::
              W_{out} = \left\lfloor\frac{W_{in} + 2 * \text{padding[1]} - \text{dilation[1]}
                    \times (\text{kernel\_size[1]} - 1) - 1}{\text{stride[1]}} + 1\right\rfloor

    Examples::

        >>> # pool of square window of size=3, stride=2
        >>> m = nn.MaxPool2d(3, stride=2)
        >>> # pool of non-square window
        >>> m = nn.MaxPool2d((3, 2), stride=(2, 1))
        >>> input = torch.randn(20, 16, 50, 32)
        >>> output = m(input)

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<think> 我们被要求解析给定的代码片段。这个代码片段看起来是一个PyTorch深度学习项目的开头,包括导入必要的库和模块,以及使用wandb(Weights & Biases)进行实验跟踪。 首先,我们逐行解释代码: 1. `import math`: 导入Python的数学库,提供数学运算函数(如cos, sin, sqrt等)。 2. `from pathlib import Path`: 导入Path类,用于处理文件路径。 3. `from types import SimpleNamespace`: 导入SimpleNamespace,用于创建一个简单的对象,允许我们使用点号(.)访问其属性(类似于一个简单的类实例)。 4. `from tqdm.auto import tqdm`: 导入tqdm(进度条库)的auto模块,可以自动选择控制台或Jupyter笔记本中的进度条。 5. `import torch`: 导入PyTorch库,用于构建和训练神经网络。 6. `import torch.nn as nn`: 导入PyTorch的神经网络模块,包含各种层(如Linear, Conv2d)和损失函数等。 7. `import torch.nn.functional as F`: 导入PyTorch中的函数模块,包含激活函数(如relu)、损失函数(如cross_entropy)等,通常用于无状态的函数。 8. `from torch.optim import Adam`: 导入Adam优化器。 9. `from utilities import get_dataloaders`: 从utilities模块中导入get_dataloaders函数,该函数可能是自定义的,用于获取数据加载器(DataLoader)。 10. `import wandb`: 导入Weights & Biases库,用于跟踪实验、记录指标和可视化。 这段代码没有具体的功能实现,只是导入了后续可能用到的库和函数。 但是,根据问题要求,我们需要给出详尽的解决方案,包括代码和解释。由于这里只是导入部分,我们可能需要补充完整的训练流程。 假设这是一个图像分类任务,我们可以构建一个简单的CNN模型,并使用get_dataloaders来获取训练和验证数据加载器。然后使用Adam优化器进行训练,并使用wandb记录训练过程。 下面,我们将补充一个完整的训练脚本,包括: 1. 定义配置(使用SimpleNamespace) 2. 定义模型(一个简单的CNN) 3. 训练循环和验证循环 4. 使用wandb初始化并记录 注意:由于get_dataloaders函数是自定义的,我们假设它返回三个数据加载器:train_loader, val_loader, test_loader(或两个:train和val)。如果没有,我们可以稍作调整。 我们将按照以下步骤: 步骤1:定义配置参数 步骤2:初始化wandb 步骤3:设置设备(GPU或CPU) 步骤4:创建模型 步骤5:定义损失函数和优化器 步骤6:训练和验证循环 由于问题要求是代码解析,但实际给出的代码不完整,我们将编写一个完整的示例,并解释。 </think>以下是对提供的代码片段的解析和解释。这段代码是一个深度学习项目的初始设置,主要包含导入必要的Python库和模块: ```python import math # 导入数学库,提供数学运算函数 from pathlib import Path # 面向对象的文件系统路径处理 from types import SimpleNamespace # 创建简单命名空间对象 from tqdm.auto import tqdm # 进度条显示,auto自动选择最佳显示方式 import torch # PyTorch深度学习框架 import torch.nn as nn # 神经网络模块 import torch.nn.functional as F # 神经网络函数接口 from torch.optim import Adam # Adam优化器 from utilities import get_dataloaders # 自定义数据加载工具 import wandb # 实验跟踪和可视化工具 ``` ### 代码解析: 1. **数学和系统工具** ```python import math from pathlib import Path from types import SimpleNamespace ``` - `math`:提供数学函数(如三角函数、对数等) - `Path`:面向对象的文件路径操作,替代传统的`os.path` - `SimpleNamespace`:创建轻量级对象用于存储配置参数 2. **进度条工具** ```python from tqdm.auto import tqdm ``` - `tqdm`:显示训练进度条 - `auto`:自动检测运行环境(Jupyter/终端)选择最佳显示方式 3. **PyTorch核心组件** ```python import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F from torch.optim import Adam ``` - `torch`:张量操作和GPU加速 - `nn`:预定义神经网络层(线性层、卷积层等) - `F`:函数式接口(激活函数、损失函数等) - `Adam`:常用的优化算法 4. **自定义工具** ```python from utilities import get_dataloaders ``` - 预期实现数据加载功能,返回训练/验证/测试的DataLoader 5. **实验管理** ```python import wandb ``` - Weights & Biases库,用于: - 超参数跟踪 - 指标可视化 - 模型版本管理 - 实验结果比较 ### 典型使用场景 这段代码通常出现在深度学习项目的开头,用于设置训练环境。一个完整的训练流程可能如下: ```python # 配置参数 config = SimpleNamespace( epochs=10, lr=0.001, batch_size=32, data_dir=Path("/data") ) # 初始化wandb wandb.init(project="my_project", config=config) # 获取数据 train_loader, val_loader = get_dataloaders(config.data_dir, config.batch_size) # 定义模型 class MyModel(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.fc = nn.Linear(784, 10) def forward(self, x): return self.fc(x) model = MyModel().to(device) optimizer = Adam(model.parameters(), lr=config.lr) # 训练循环 for epoch in tqdm(range(config.epochs)): model.train() for batch in train_loader: x, y = batch optimizer.zero_grad() output = model(x) loss = F.cross_entropy(output, y) loss.backward() optimizer.step() # 记录指标 wandb.log({"train_loss": loss.item()}) # 验证循环 model.eval() with torch.no_grad(): # ...验证代码... ``` ### 各组件作用总结 | 组件 | 功能 | 重要性 | |------|------|--------| | `torch` | 张量计算和GPU加速 | 核心 | | `nn` | 神经网络构建 | 核心 | | `tqdm` | 训练进度可视化 | 辅助 | | `wandb` | 实验管理和可视化 | 可选项 | | `get_dataloaders` | 数据加载封装 | 项目特定 |
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