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一、代码及运行结果
1.前期准备
import torch
import torch.nn as nn
import matplotlib.pyplot as plt
import torchvision
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
train_ds = torchvision.datasets.CIFAR10('data',
train=True,
transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 将数据类型转化为Tensor
download=True)
test_ds = torchvision.datasets.CIFAR10('data',
train=False,
transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 将数据类型转化为Tensor
download=True)
batch_size = 32
train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_ds,
batch_size=batch_size,
shuffle=True)
test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_ds,
batch_size=batch_size)
# 取一个批次查看数据格式
# 数据的shape为:[batch_size, channel, height, weight]
# 其中batch_size为自己设定,channel,height和weight分别是图片的通道数,高度和宽度。
imgs, labels = next(iter(train_dl))
imgs.shape
import numpy as np
# 指定图片大小,图像大小为20宽、5高的绘图(单位为英寸inch)
plt.figure(figsize=(20, 5))
for i, imgs in enumerate(imgs[:20]):
# 维度缩减
npimg = imgs.numpy().transpose((1, 2, 0))
# 将整个figure分成2行10列,绘制第i+1个子图。
plt.subplot(2, 10, i+1)
plt.imshow(npimg, cmap=plt.cm.binary)
plt.axis('off')
2.构建简单的CNN网络
import torch.nn.functional as F
num_classes = 10 # 图片的类别数
class Model(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
# 特征提取网络
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3) # 第一层卷积,卷积核大小为3*3
self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2) # 设置池化层,池化核大小为2*2
self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3) # 第二层卷积,卷积核大小为3*3
self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
self.conv3 = nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3) # 第二层卷积,卷积核大小为3*3
self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
# 分类网络
self.fc1 = nn.Linear(512, 256)
self.fc2 = nn.Linear(256, num_classes)
# 前向传播
def forward(self, x):
x = self.pool1(F.relu(self.conv1(x)))
x = self.pool2(F.relu(self.conv2(x)))
x = self.pool3(F.relu(self.conv3(x)))
x = torch.flatten(x, start_dim=1)
x = F.relu(self.fc1(x))
x = self.fc2(x)
return x
from torchinfo import summary
# 将模型转移到GPU中(我们模型运行均在GPU中进行)
model = Model().to(device)
summary(model)
================================================================= Layer (type:depth-idx) Param # ================================================================= Model -- ├─Conv2d: 1-1 1,792 ├─MaxPool2d: 1-2 -- ├─Conv2d: 1-3 36,928 ├─MaxPool2d: 1-4 -- ├─Conv2d: 1-5 73,856 ├─MaxPool2d: 1-6 -- ├─Linear: 1-7 131,328 ├─Linear: 1-8 2,570 ================================================================= Total params: 246,474 Trainable params: 246,474 Non-trainable params: 0 =================================================================
3.训练模型
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数
learn_rate = 1e-2 # 学习率
opt = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=learn_rate)
# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
size = len(dataloader.dataset) # 训练集的大小,一共60000张图片
num_batches = len(dataloader) # 批次数目,1875(60000/32)
train_loss, train_acc = 0, 0 # 初始化训练损失和正确率
for X, y in dataloader: # 获取图片及其标签
X, y = X.to(device), y.to(device)
# 计算预测误差
pred = model(X) # 网络输出
loss = loss_fn(pred, y) # 计算网络输出和真实值之间的差距,targets为真实值,计算二者差值即为损失
# 反向传播
optimizer.zero_grad() # grad属性归零
loss.backward() # 反向传播
optimizer.step() # 每一步自动更新
# 记录acc与loss
train_acc += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
train_loss += loss.item()
train_acc /= size
train_loss /= num_batches
return train_acc, train_loss
def test (dataloader, model, loss_fn):
size = len(dataloader.dataset) # 测试集的大小,一共10000张图片
num_batches = len(dataloader) # 批次数目,313(10000/32=312.5,向上取整)
test_loss, test_acc = 0, 0
# 当不进行训练时,停止梯度更新,节省计算内存消耗
with torch.no_grad():
for imgs, target in dataloader:
imgs, target = imgs.to(device), target.to(device)
# 计算loss
target_pred = model(imgs)
loss = loss_fn(target_pred, target)
test_loss += loss.item()
test_acc += (target_pred.argmax(1) == target).type(torch.float).sum().item()
test_acc /= size
test_loss /= num_batches
return test_acc, test_loss
epochs = 10
train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []
for epoch in range(epochs):
model.train()
epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, opt)
model.eval()
epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)
train_acc.append(epoch_train_acc)
train_loss.append(epoch_train_loss)
test_acc.append(epoch_test_acc)
test_loss.append(epoch_test_loss)
template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%,Test_loss:{:.3f}')
print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, epoch_test_acc*100, epoch_test_loss))
print('Done')
Epoch: 1, Train_acc:12.8%, Train_loss:2.290, Test_acc:16.6%,Test_loss:2.229 Epoch: 2, Train_acc:23.9%, Train_loss:2.048, Test_acc:29.8%,Test_loss:1.919 Epoch: 3, Train_acc:33.0%, Train_loss:1.827, Test_acc:36.7%,Test_loss:1.744 Epoch: 4, Train_acc:40.3%, Train_loss:1.644, Test_acc:32.6%,Test_loss:1.938 Epoch: 5, Train_acc:44.4%, Train_loss:1.536, Test_acc:43.7%,Test_loss:1.550 Epoch: 6, Train_acc:47.9%, Train_loss:1.444, Test_acc:46.5%,Test_loss:1.458 Epoch: 7, Train_acc:51.1%, Train_loss:1.365, Test_acc:50.4%,Test_loss:1.392 Epoch: 8, Train_acc:53.8%, Train_loss:1.294, Test_acc:53.3%,Test_loss:1.291 Epoch: 9, Train_acc:56.4%, Train_loss:1.229, Test_acc:56.3%,Test_loss:1.232 Epoch:10, Train_acc:58.4%, Train_loss:1.174, Test_acc:58.6%,Test_loss:1.175 Done
4.结果可视化
import matplotlib.pyplot as plt
#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore") #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 用来正常显示负号
plt.rcParams['figure.dpi'] = 100 #分辨率
epochs_range = range(epochs)
plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()
二、个人总结
总结如何构建CNN网络:
当定义神经网络模型时,通常会定义两个主要的方法:__init__
和 forward。
__init__
方法:
用于初始化模型的各个层(layers)和其他组件。主要执行以下任务:
-
初始化神经网络的各个层:在
__init__
方法中,定义卷积层、池化层、全连接层等。这些层将构成整个神经网络的结构。 -
设置层的参数:你会定义每个层的输入和输出通道数、卷积核大小、池化核大小、全连接层的输入和输出大小等。这些参数是神经网络训练过程中学习的权重和偏置的基础。
-
初始化其他组件:除了神经网络层,你可能还会初始化一些其他组件,例如激活函数、正则化方法等。
forward
方法:
这个方法定义了模型的前向传播过程。它主要执行以下任务:
-
定义数据流的方向:在
forward
方法中,你会指定数据在网络中的流动方向。通常,数据会经过一系列的卷积、池化、激活函数和全连接操作。 -
应用激活函数:在每个卷积层或全连接层后,通常会应用一个激活函数(如ReLU),以引入非线性性质。
-
展平数据:在进入全连接层之前,通常需要将数据展平成一维向量。通常通过
torch.flatten
操作来完成。 -
执行全连接操作:定义了全连接层后,通过线性变换将数据映射到输出空间。
-
返回输出结果:最后,
forward
方法返回神经网络的输出,这通常是对输入数据的分类或回归预测。
在训练过程中,forward
方法会被调用以计算模型的预测值。通过与实际标签比较,可以计算损失并进行反向传播以更新模型参数。