pytorch实现模型蒸馏

#首先导入模块、准备数据
import torch
from torch.utils.data import DataLoader
import torch.utils.data as Data
import torchvision.transforms as transforms
import numpy as np
import os
from torch.autograd import Variable
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim

#根据自己情况加载自己的数据集
import torch
from torch.autograd import Variable
#对数据归一化处理
maxT = trainx.max()
print(maxT)
minT = trainx.min()
print(minT)
trainx = (trainx-minT)/(maxT-minT)
testx = (testx-minT)/(maxT-minT)

trainx = torch.tensor(trainx)
trainy = torch.tensor(trainy)
testx = torch.tensor(testx)
testy = torch.tensor(testy)
trainx =  Variable(torch.unsqueeze(trainx, dim=1).float(), requires_grad=False)
trainy = Variable(torch.unsqueeze(trainy, dim=1).float(), requires_grad=False)
testx = Variable(torch.unsqueeze(testx, dim=1).float(), requires_grad=False)
testy = Variable(torch.unsqueeze(testy, dim=1).float(), requires_grad=False)
print(trainx.shape)
print(testx.shape)


建立student模型并初始化,根据自己需求建立,如果studentnet模型效果太差可考虑加深。

class studentNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(anNet,self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1,6,3)
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(2,1)
        self.fc3 = nn.Linear(6*25*25,2)
    def forward(self,x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.pool1(F.relu(x))
        x = x.view(x.size()[0],-1)
        x = self.fc3(x)
        return x
    def initialize_weights(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                torch.nn.init.xavier_normal_(m.weight.data)
                if m.bias is not None:
                    m.bias.data.zero_()
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()
            elif isinstance(m, nn.Linear):
                torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0, 0.01)
                m.bias.data.zero_()

                
### 使用 PyTorch 实现知识蒸馏 #### 背景介绍 知识蒸馏是一种通过较大模型(称为教师模型)指导较小模型(称为学生模型)训练的技术。这种方法可以显著提升小型化网络的表现性能,使其接近甚至达到大型复杂模型的效果。 #### 方法描述 在 PyTorch实现知识蒸馏的核心在于定义损失函数并结合软目标和硬目标进行优化[^1]。具体来说,可以通过调整超参数 `alpha` 和温度系数 `temperature` 来平衡两种目标的影响[^4]。 以下是基于 PyTorch 的知识蒸馏实现的关键步骤: 1. **准备数据集**:加载用于训练的数据集。 2. **构建模型架构**:设计教师模型和学生模型。 3. **定义损失函数**:引入 KL 散度计算软标签之间的差异,并加入交叉熵作为硬标签的监督信号。 4. **设置优化器与调度器**:配置 Adam 或 SGD 等常用优化算法以及学习率衰减策略。 5. **执行训练过程**:迭代更新权重直至收敛。 下面展示一段完整的代码示例供参考: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torchvision import datasets, transforms # 数据预处理部分省略... class TeacherModel(nn.Module): def __init__(self): super(TeacherModel, self).__init__() # 定义复杂的教师模型结构... def forward(self, x): return ... class StudentModel(nn.Module): def __init__(self): super(StudentModel, self).__init__() # 设计简化的学生模型结构... def forward(self, x): return ... def knowledge_distillation_loss(student_output, teacher_output, target, temperature=4.0, alpha=0.7): soft_targets = nn.functional.softmax(teacher_output / temperature, dim=-1) student_soft_logits = nn.functional.log_softmax(student_output / temperature, dim=-1) kl_div_loss = nn.KLDivLoss(reduction='batchmean')(student_soft_logits, soft_targets) * (temperature ** 2) ce_loss = nn.CrossEntropyLoss()(student_output, target) total_loss = alpha * kl_div_loss + (1 - alpha) * ce_loss return total_loss device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu' teacher_model = TeacherModel().to(device).eval() student_model = StudentModel().to(device).train() criterion = knowledge_distillation_loss optimizer = optim.Adam(student_model.parameters(), lr=0.001) for epoch in range(num_epochs): for data, labels in dataloader: data, labels = data.to(device), labels.to(device) with torch.no_grad(): teacher_preds = teacher_model(data) optimizer.zero_grad() student_preds = student_model(data) loss = criterion(student_preds, teacher_preds.detach(), labels) loss.backward() optimizer.step() ``` 上述脚本展示了如何搭建一个基本的知识蒸馏框架[^2]。其中涉及到了几个重要组件的选择依据及其作用说明如下表所示: | 参数名称 | 描述 | |----------|----------------------------------------------------------------------------------------| | T | 控制分布平滑程度的一个正数常量;较高的数值会使概率更加均匀分布 | | α | 平衡因子用来调节来自真实标签的信息占比相对于由老师传递出来的信息所占的比例 | #### 总结 综上所述,在 PyTorch 下完成一次成功的知识蒸馏操作不仅需要合理选取硬件环境版本匹配情况下的依赖库安装状态确认工作^,还需要精心挑选合适的超参组合以获得最佳效果表现形式^。
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