卷积神经网络初体验——使用pytorch搭建CNN

〇、基本流程

加载数据->搭建模型->训练->测试

一、加载数据

通过使用torch.utils.data.DataLoader和torchvision.datasets两个模块可以很方便地去获取常用数据集(手写数字MNIST、分类CIFAR)，以及将其加载进来。

1.加载内置数据集

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

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
    torchvision.datasets.MNIST('mnist_data', train=True, download=True,
                               transform=torchvision.transforms.Compose([
                                   torchvision.transforms.ToTensor(),
                                   torchvision.transforms.Normalize(
                                       (0.1307,), (0.3081,))
                               ])),
    batch_size=batch_size, shuffle=True)
# train 是否为训练集，         download 数据集不存在时是否下载数据集
# ToTensor() 转换成tensor格式，Normalize() 归一化，将数据作(data-mean)/std
# batch_size 加载一批数量，    shuffle 是否打散数据

2.加载自定义数据集

用torchvision.datasets.ImageFolder加载图片数据集

二、搭建模型

一个模型可以表示为python的一个类，这个类要继承torch.nn.modules.Module，并且实现forward( )方法

class Lenet5(nn.Module):
    """
    for CIFAR10
    """
    def __init__(self):
        super(Lenet5, self).__init__()

        # 两层卷积
        self.conv_unit = nn.Sequential(
            
            # 3表示input，可以理解为图片的通道数量，即我的卷积核一次要到几个tensor去作卷积
            # 6表示有多少个卷积核
            # stride表示卷积核移动步长，padding表示边缘扩充
            nn.Conv2d(3, 6, kernel_size=5, stride=1, padding=0),　　　　# 卷积
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0),　　　　　　# 池化

            nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5, stride=1, padding=0),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0)
        )

        # 3层全连接层
        self.fc_unit = nn.Sequential(
            nn.Linear(16*5*5, 120),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(120, 84),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(84, 10)
        )


    def forward(self, x):　　　　　　　　　　　　　　　　# 数据从此进来，经过定义好的各层网络，最终输出
        batchsz = x.size(0)
        x = self.conv_unit(x)
        x = x.view(batchsz, 16*5*5)　　　　　　　　　　# 经过卷积层后，对数据维度作处理，以适应全连接层
        logits = self.fc_unit(x)
        return logits

三、训练

训练过程可以认为是对参数优化的过程，通过输入数据，得到输出，计算损失(误差)，再经过误差反向传播得到梯度信息，以更新参数。

    # 实例模型、配置损失函数、优化器
    device = torch.device('cuda')                       # 转为GPU上执行
    model = Lenet5().to(device)                         # 实例化模型
    criteon = nn.CrossEntropyLoss().to(device)          # 损失函数
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3) # 优化器
    print(model)

    # 训练
    for epoch in range(1000):                   # 迭代1000次
        model.train()                           # 模型切换为训练模式
        for batchidx, (x, label) in enumerate(cifar_train):
            x, label = x.to(device), label.to(device)
            logist = model(x)                   # 得到模型的输出
            loss = criteon(logist, label)       # 计算损失
            optimizer.zero_grad()               # 旧梯度清零
            loss.backward()                     # 误差反向传播
            optimizer.step()                    # 梯度更新

        print(epoch, loss.item())

四、测试

当模型训练完毕后，进行数据测试。

　　　　　model.eval()　　　　　　　　　　　　　　　　 # 切换为验证模式
        with torch.no_grad():　　　　　　　　　　  # 不进行梯度更新
            total_correct = 0                   # 记录正确的数据量
            total_num = 0                       # 记录总数据量
            for x, label in cifar_test:
                x, label = x.to(device), label.to(device)
                logist = model(x)               # 获得模型输出
                pred = logist.argmax(dim=1)     # 取值最大的下标，在这里恰好对应图片标签
                
                # eq(pred, label)表示比较预测值和实际标签
                total_correct += torch.eq(pred, label).float().sum().item()
                total_num += x.size(0)
            acc = total_correct / total_num     # 计算正确率

五、其他

1、保存与加载模型

即当模型训练好之后，将模型保存，下一次可以直接使用。

torch.save(model.state_dict(), 'best.mdl')      # 保存模型

model.load_state_dict(torch.load('best.mdl'))   # 加载模型