动手学习Pytorch(7)--LeNet

Convolutional Neural Networks

使用全连接层的局限性:

  • 图像在同一列邻近的像素在这个向量中可能相距较远。它们构成的模式可能难以被模型识别。
  • 对于大尺寸的输入图像,使用全连接层容易导致模型过大。

使用卷积层的优势:

  • 卷积层保留输入形状。
  • 卷积层通过滑动窗口将同一卷积核与不同位置的输入重复计算,从而避免参数尺寸过大。

LeNet 模型

LeNet分为卷积层块和全连接层块两个部分。下面我们分别介绍这两个模块。

卷积层块里的基本单位是卷积层后接平均池化层:卷积层用来识别图像里的空间模式,如线条和物体局部,之后的平均池化层则用来降低卷积层对位置的敏感性。

卷积层块由两个这样的基本单位重复堆叠构成。在卷积层块中,每个卷积层都使用

的窗口,并在输出上使用sigmoid激活函数。第一个卷积层输出通道数为6,第二个卷积层输出通道数则增加到16。

全连接层块含3个全连接层。它们的输出个数分别是120、84和10,其中10为输出的类别个数。

下面我们通过Sequential类来实现LeNet模型。

#import
import sys
sys.path.append("/home/kesci/input")
import d2lzh1981 as d2l
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import time
#net
class Flatten(torch.nn.Module):  #展平操作
    def forward(self, x):
        return x.view(x.shape[0], -1)

class Reshape(torch.nn.Module): #将图像大小重定型
    def forward(self, x):
        return x.view(-1,1,28,28)      #(B x C x H x W)

net = torch.nn.Sequential(     #Lelet
    Reshape(),
    nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2), #b*1*28*28  =>b*6*28*28
    nn.Sigmoid(),
    nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),                              #b*6*28*28  =>b*6*14*14
    nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5),           #b*6*14*14  =>b*16*10*10
    nn.Sigmoid(),
    nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),                              #b*16*10*10  => b*16*5*5
    Flatten(),                                                          #b*16*5*5   => b*400
    nn.Linear(in_features=16*5*5, out_features=120),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(120, 84),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(84, 10)
)

接下来我们构造一个高和宽均为28的单通道数据样本,并逐层进行前向计算来查看每个层的输出形状。

#print
X = torch.randn(size=(1,1,28,28), dtype = torch.float32)
for layer in net:
    X = layer(X)
    print(layer.__class__.__name__,‘output shape: \t‘,X.shape)
Reshape output shape: 	 torch.Size([1, 1, 28, 28])
Conv2d output shape: 	 torch.Size([1, 6, 28, 28])
Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 6, 28, 28])
AvgPool2d output shape: 	 torch.Size([1, 6, 14, 14])
Conv2d output shape: 	 torch.Size([1, 16, 10, 10])
Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 16, 10, 10])
AvgPool2d output shape: 	 torch.Size([1, 16, 5, 5])
Flatten output shape: 	 torch.Size([1, 400])
Linear output shape: 	 torch.Size([1, 120])
Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 120])
Linear output shape: 	 torch.Size([1, 84])
Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 84])
Linear output shape: 	 torch.Size([1, 10])

可以看到,在卷积层块中输入的高和宽在逐层减小。卷积层由于使用高和宽均为5的卷积核,从而将高和宽分别减小4,而池化层则将高和宽减半,但通道数则从1增加到16。全连接层则逐层减少输出个数,直到变成图像的类别数10。

获取数据和训练模型

下面我们来实现LeNet模型。我们仍然使用Fashion-MNIST作为训练数据集。

# 数据
batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(
    batch_size=batch_size, root=‘/home/kesci/input/FashionMNIST2065‘)
print(len(train_iter))
235

为了使读者更加形象的看到数据,添加额外的部分来展示数据的图像

#数据展示
import matplotlib.pyplot as plt
def show_fashion_mnist(images, labels):
    d2l.use_svg_display()
    # 这里的_表示我们忽略(不使用)的变量
    _, figs = plt.subplots(1, len(images), figsize=(12, 12))
    for f, img, lbl in zip(figs, images, labels):
        f.imshow(img.view((28, 28)).numpy())
        f.set_title(lbl)
        f.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        f.axes.get_yaxis().set_visible(False)
    plt.show()

for Xdata,ylabel in train_iter:
    break
X, y = [], []
for i in range(10):
    print(Xdata[i].shape,ylabel[i].numpy())
    X.append(Xdata[i]) # 将第i个feature加到X中
    y.append(ylabel[i].numpy()) # 将第i个label加到y中
show_fashion_mnist(X, y)
torch.Size([1, 28, 28]) 3
torch.Size([1, 28, 28]) 8
torch.Size([1, 28, 28]) 1
torch.Size([1, 28, 28]) 4
torch.Size([1, 28, 28]) 0
torch.Size([1, 28, 28]) 0
torch.Size([1, 28, 28]) 4
torch.Size([1, 28, 28]) 9
torch.Size([1, 28, 28]) 4
torch.Size([1, 28, 28]) 7

因为卷积神经网络计算比多层感知机要复杂,建议使用GPU来加速计算。我们查看看是否可以用GPU,如果成功则使用cuda:0,否则仍然使用cpu

# This function has been saved in the d2l package for future use
#use GPU
def try_gpu():
    """If GPU is available, return torch.device as cuda:0; else return torch.device as cpu."""
    if torch.cuda.is_available():
        device = torch.device(‘cuda:0‘)
    else:
        device = torch.device(‘cpu‘)
    return device

device = try_gpu()
device
device(type=‘cpu‘)

我们实现evaluate_accuracy函数,该函数用于计算模型net在数据集data_iter上的准确率。

#计算准确率
‘‘‘
(1). net.train()
  启用 BatchNormalization 和 Dropout,将BatchNormalization和Dropout置为True
(2). net.eval()
不启用 BatchNormalization 和 Dropout,将BatchNormalization和Dropout置为False
‘‘‘

def evaluate_accuracy(data_iter, net,device=torch.device(‘cpu‘)):
    """Evaluate accuracy of a model on the given data set."""
    acc_sum,n = torch.tensor([0],dtype=torch.float32,device=device),0
    for X,y in data_iter:
        # If device is the GPU, copy the data to the GPU.
        X,y = X.to(device),y.to(device)
        net.eval()
        with torch.no_grad():
            y = y.long()
            acc_sum += torch.sum((torch.argmax(net(X), dim=1) == y))  #[[0.2 ,0.4 ,0.5 ,0.6 ,0.8] ,[ 0.1,0.2 ,0.4 ,0.3 ,0.1]] => [ 4 , 2 ]
            n += y.shape[0]
    return acc_sum.item()/n

我们定义函数train_ch5,用于训练模型。

#训练函数
def train_ch5(net, train_iter, test_iter,criterion, num_epochs, batch_size, device,lr=None):
    """Train and evaluate a model with CPU or GPU."""
    print(‘training on‘, device)
    net.to(device)
    optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)
    for epoch in range(num_epochs):
        train_l_sum = torch.tensor([0.0],dtype=torch.float32,device=device)
        train_acc_sum = torch.tensor([0.0],dtype=torch.float32,device=device)
        n, start = 0, time.time()
        for X, y in train_iter:
            net.train()

            optimizer.zero_grad()
            X,y = X.to(device),y.to(device)
            y_hat = net(X)
            loss = criterion(y_hat, y)
            loss.backward()
            optimizer.step()

            with torch.no_grad():
                y = y.long()
                train_l_sum += loss.float()
                train_acc_sum += (torch.sum((torch.argmax(y_hat, dim=1) == y))).float()
                n += y.shape[0]
        test_acc = evaluate_accuracy(test_iter, net,device)
        print(‘epoch %d, loss %.4f, train acc %.3f, test acc %.3f, ‘
              ‘time %.1f sec‘
              % (epoch + 1, train_l_sum/n, train_acc_sum/n, test_acc,
                 time.time() - start))

我们重新将模型参数初始化到对应的设备device(cpu or cuda:0)之上,并使用Xavier随机初始化。损失函数和训练算法则依然使用交叉熵损失函数和小批量随机梯度下降。

# 训练
lr, num_epochs = 0.9, 10

def init_weights(m):
    if type(m) == nn.Linear or type(m) == nn.Conv2d:
        torch.nn.init.xavier_uniform_(m.weight)

net.apply(init_weights)
net = net.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()   #交叉熵描述了两个概率分布之间的距离,交叉熵越小说明两者之间越接近
train_ch5(net, train_iter, test_iter, criterion,num_epochs, batch_size,device, lr)
training on cpu
epoch 1, loss 0.0091, train acc 0.100, test acc 0.168, time 21.6 sec
epoch 2, loss 0.0065, train acc 0.355, test acc 0.599, time 21.5 sec
epoch 3, loss 0.0035, train acc 0.651, test acc 0.665, time 21.8 sec
epoch 4, loss 0.0028, train acc 0.717, test acc 0.723, time 21.7 sec
epoch 5, loss 0.0025, train acc 0.746, test acc 0.753, time 21.4 sec
epoch 6, loss 0.0023, train acc 0.767, test acc 0.754, time 21.5 sec
epoch 7, loss 0.0022, train acc 0.782, test acc 0.785, time 21.3 sec
epoch 8, loss 0.0021, train acc 0.798, test acc 0.791, time 21.8 sec
epoch 9, loss 0.0019, train acc 0.811, test acc 0.790, time 22.0 sec
epoch 10, loss 0.0019, train acc 0.821, test acc 0.804, time 22.1 sec
# test
for testdata,testlabe in test_iter:
    testdata,testlabe = testdata.to(device),testlabe.to(device)
    break
print(testdata.shape,testlabe.shape)
net.eval()
y_pre = net(testdata)
print(torch.argmax(y_pre,dim=1)[:10])
print(testlabe[:10])
torch.Size([256, 1, 28, 28]) torch.Size([256])
tensor([9, 2, 1, 1, 6, 1, 2, 6, 5, 7])
tensor([9, 2, 1, 1, 6, 1, 4, 6, 5, 7])

总结:

卷积神经网络就是含卷积层的网络。 LeNet交替使用卷积层和最大池化层后接全连接层来进行图像分类。

原文地址:https://www.cnblogs.com/ljwgis/p/12329277.html

时间: 2024-10-07 23:00:59

动手学习Pytorch(7)--LeNet的相关文章

动手学习pytorch——(3)多层感知机

多层感知机(multi perceptron,MLP).对于普通的含隐藏层的感知机,由于其全连接层只是对数据做了仿射变换,而多个仿射变换的叠加仍然是一个仿射变换,即使添加更多的隐藏层,这种设计也只能与仅含输出层的单层神经网络等价.解决问题的一个方法是引入非线性变换,对隐藏变量使用非线性变化,然后作为下一个全连接层的输入,这个非线性函数被称为激活函数. 激活函数主要有ReLu.Sigmoid.tanh.其中ReLu计算简单,且不像其他两个哪个容易造成梯度消失,使用较多. 多层感知机pytorch实

[深度学习] Pytorch(三)—— 多/单GPU、CPU,训练保存、加载模型参数问题

[深度学习] Pytorch(三)-- 多/单GPU.CPU,训练保存.加载预测模型问题 上一篇实践学习中,遇到了在多/单个GPU.GPU与CPU的不同环境下训练保存.加载使用使用模型的问题,如果保存.加载的上述三类环境不同,加载时会出错.就去研究了一下,做了实验,得出以下结论: 多/单GPU训练保存模型参数.CPU加载使用模型 #保存 PATH = 'cifar_net.pth' torch.save(net.module.state_dict(), PATH) #加载 net = Net()

DataWhale 动手学深度学习PyTorch版-task3+4+5:文本预处理;语言模型;循环神经网络基础

课程引用自伯禹平台:https://www.boyuai.com/elites/course/cZu18YmweLv10OeV <动手学深度学习>官方网址:http://zh.gluon.ai/ ——面向中文读者的能运行.可讨论的深度学习教科书. 第二次打卡: Task03: 过拟合.欠拟合及其解决方案:梯度消失.梯度爆炸:循环神经网络进阶 Task04:机器翻译及相关技术:注意力机制与Seq2seq模型:Transformer Task05:卷积神经网络基础:leNet:卷积神经网络进阶 有

动手学深度学习PyTorch版-task02

task0201.文本预处理 代码解读 import collections import re with open('timemachine.txt', 'r', encoding='UTF-8') as f: lines = [re.sub('[^a-z]+', ' ', line.strip().lower()) for line in f] print(lines) In[8]: lines[0] Out[8]: 'the time machine' In[9]: lines[1] Ou

【动手学pytorch】softmax回归

一.什么是softmax? 有一个数组S,其元素为Si ,那么vi 的softmax值,就是该元素的指数与所有元素指数和的比值.具体公式表示为: softmax回归本质上也是一种对数据的估计 二.交叉熵损失函数 在估计损失时,尤其是概率上的损失,交叉熵损失函数更加常用.下面是交叉熵 当我们预测单个物体(即每个样本只有1个标签),y(i)为我们构造的向量,其分量不是0就是1,并且只有一个1(第y(i)个数为1).于是.交叉熵只关心对正确类别的预测概率,因为只要其值足够大,就可以确保分类结果正确.遇

动手学习TCP: 环境搭建

前一段时间通过Wireshark抓包,定位了一个客户端和服务器之间数据传输的问题.最近就抽空看了看<TCP/IP详解 卷1>中关于TCP的部分,书中用了很多例子展示了TCP/IP协议中的一些基本概念. 所以,也准备自己动手,通过一些简单的实验来进一步了解一下TCP中的一些基本概念. 环境搭建和配置 在开始进行实验之前,首先看看实验环境的搭建: Wireshark:用来抓取网络上的包,可以清楚的看到TCP/IP协议层,以及每层的详细信息,通过此处下载 一台虚拟机:如果客户端和服务端都在本机,那么

[深度学习] Pytorch学习(二)—— torch.nn 实践:训练分类器(含多GPU训练CPU加载预测的使用方法)

Learn From: Pytroch 官方Tutorials Pytorch 官方文档 环境:python3.6 CUDA10 pytorch1.3 vscode+jupyter扩展 #%% #%% # 1.Loading and normalizing CIFAR10 import torch import torchvision import torchvision.transforms as transforms batch_size = 16 transform = transform

动手学习深度学习 3-1 Linear-regression

Linear-regression 1. 线性回归 线性回归模型尽量写成矩阵形式进行计算. 为什么矩阵计算比循环快很多? [知乎]因为通常的数学库,矩阵运算都是用BLAS.ATLAS之类的库.这些库中,矩阵运算都是优化过的(也就是说通常不会用两层循环来计算矩阵乘法,具体的计算方法请参考源代码). 当然,还有更厉害的,就是底层调用CPU级别的运算指令.例如intel的MKL就是一个做高速浮点运算的库,比直接编译C语言还要快(10000x10000维的矩阵分解速度可以从10s级加速到0.1s级).W

ionic in action (动手学习ionic)中文翻译

这几天一直在学ionic,发现一本入门比较好的书籍<ionic in action>,可是国内只有英文版,闲来无事,小弟尝试翻译这本书. 由于自身刚接触ionic 和Angular,很多概念还不是很清楚,有什么不对的地方(不用想,肯定会有),还望恕罪. 第一章是简介什么的,直接Pass,从第二章开始 第二章 创建你第一个App 在这一章中,主要讲的是如何配置环境,并在自己的电脑中安装.运行一个ionic项目.