搭建卷积神经网络

一、数据预处理

1. 下载数据集

在PyTorch中，有许多封装了很多与图像相关的模型、数据集，那么如何获取数据集呢？

导入datasets模块：

from torchvision import datasets #封装了很多与图像相关的模型，数据集

以datasets模块中的MNIST数据集为例，包含70000张手写数字图像：60000张用于训练，10000张用于测试。图像是灰度的，28*28像素，并且居中的，以减少预处理和加快运行。

from torch.utils.data import DataLoader #数据包管理工具，打包数据
from torchvision import datasets #封装了很多与图像相关的模型，数据集
from torchvision.transforms import ToTensor # 数据转换，张量，将其他类型数据转换为tensor张量
"""-----下载训练集数据集-----"""
training_data = datasets.MNIST(
    root="data",
    train=True,# 取训练集
    download=True,
    transform=ToTensor(),# 张量，图片是不能直接传入神经网络模型的
) # 对于pytorch库能够识别的数据，一般是tensor张量

"""-----下载测试集数据集-----"""
test_data = datasets.MNIST(
    root="data",
    train=False,
    download=True,
    transform=ToTensor(),
)# numpy数组只能在CPU上运行，Tensor可以在GPU上运行，这在深度学习中可以显著提高计算速度

下载完成之后可在project栏查看。

2. 创建DataLoader（数据加载器）

在PyTorch中，创建DataLoader的主要作用是将数据集（Dataset）加载到模型中，以便进行训练或推理。DataLoader通过封装数据集，提供了一个高效、灵活的方式来处理数据。

DataLoader通过batch_size参数将数据集自动划分为多个小批次（batch），每一批次的放入模型训练，减少内存的使用，提高训练速度。

import torch
from torch.utils.data import DataLoader
"""
创建数据DataLoader（数据加载器）
batch_size：将数据集分成多份，每一份为batch_size（指定数值）个数据。
优点：减少内存的使用，提高训练速度
"""
train_dataloder = DataLoader(training_data,batch_size=64)# 64张图片为一个包
test_datalodar = DataLoader(test_data,batch_size=64)
# 查看打包好的数据
for x,y in test_datalodar: #x是表示打包好的每一个数据包
    print(f"Shape of x [N, C, H, W]:{x.shape}")
    print(f"Shape of y:{y.shape} {y.dtype}")
    break
-----------------------
Shape of x [N, C, H, W]:torch.Size([64, 1, 28, 28])
Shape of y:torch.Size([64]) torch.int64

二、搭建神经网络

注意：同普通的神经网络不同，卷积神经网络在传入图片时不需要将其展开，因为对图片进行卷积就是在原图上进行内积，不能展开。

卷积神经网络是由输入层、卷积层、激活层、池化层、全连接层、输出层组成。所以在结构上我们也同这样式的来，但是可以搭建多层卷积哦！

"""---判断当前设备是否支持GPU，其中mps是苹果m系列芯片的GPU"""
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cpu"

"""-----定义神经网络-----"""
class CNN(nn.Module):
    def __init__(self): # 输入大小（1，28，28）
        super(CNN,self).__init__()
        self.conv1 = nn.Sequential( # 将多个层组合在一起
            nn.Conv2d(         # 2d一般用于图像，3d用于视频数据（多一个时间维度），1d一般用于结构化的序列数据
                in_channels=1, # 图像通道个数，1表示灰度图（确定卷积核 组中的个数）
                out_channels=16, # 要得到多少特征图，卷积核的个数
                kernel_size=5,  # 卷积核大小
                stride=1,   # 步长
                padding=2   # 边界填充大小
            ), # 输出的特征图为（16，28，28）-->16个大小28*28的图像
            nn.ReLU(), # relu层，不会改变特征图的大小
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2) # 进行池化操作（2*2区域），输出结果为（16，14，14）
        )
        self.conv2 = nn.Sequential( # 输入（16，14，14）
            nn.Conv2d(16,32,5,1,2), # 输出（32*14*14）
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(32,32,5,1,2), # 输出（32*14*14）
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2) # 输出（32，7，7）
        )
        self.conv3 = nn.Sequential( # 输入（32，7，7）
            nn.Conv2d(32,64,5,1,2), # 输出（64，7，7）
            nn.ReLU()
        )
        self.out = nn.Linear(64*7*7,10)

    def forward(self,x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x) # 输出（64，7，7）
        x = x.view(x.size(0),-1) # flatten 操作，结果为：（batch_size,64*7*7）
        output = self.out(x)
        return output

model = CNN().to(device)

三、训练数据

• optimizer优化器：

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.001)

• loss_fn损失函数：

在PyTorch中，**nn.CrossEntropyLoss()**是一个常用的损失函数，它结合了 nn.LogSoftmax() 和 nn.NLLLoss()（负对数似然损失）在一个单独的类中。

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

• 训练集

from torch import nn #导入神经网络模块
def train(dataloader,model,loss_fn,optimizer):
    model.train()# 设置模型为训练模式

    batch_size_num =1# 迭代次数 
    for x,y in dataloader:
        x,y = x.to(device),y.to(device)  # 将数据和标签发送到指定设备  
        pred = model.forward(x)  # 前向传播  
        loss = loss_fn(pred,y)  # 计算损失  

        optimizer.zero_grad()  # 清除之前的梯度  
        loss.backward()  # 反向传播  
        optimizer.step()  # 更新模型参数  

        loss_value = loss.item()  # 获取损失值
        if batch_size_num %200 == 0:  # 每200次迭代打印一次损失  
            print(f"loss:{loss_value:>7f} [number:{batch_size_num}]")
        batch_size_num += 1
train(train_dataloder,model,loss_fn,optimizer)
------------------------
loss:0.158841 [number:200]
loss:0.242431 [number:400]
loss:0.173504 [number:600]
loss:0.020542 [number:800]

• 测试集

"""-----测试集-----"""
def test(dataloader,model,loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset)
    num_batches = len(dataloader)
    model.eval()
    test_loss,correct = 0,0
    with torch.no_grad():
        for x,y in dataloader:
            x,y = x.to(device),y.to(device)
            pred = model.forward(x)
            test_loss += loss_fn(pred,y).item()
            correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
            a = (pred.argmax(1) == y)
            b = (pred.argmax(1) == y).type(torch.float)
    test_loss /= num_batches
    correct /= size
    correct = round(correct, 4)
    print(f"Test result: \n Accuracy:{(100*correct)}%,Avg loss:{test_loss}")

test(test_datalodar,model,loss_fn)
--------------------
Test result: 
 Accuracy:98.11999999999999%,Avg loss:0.05511626677004996

四、优化模型

通过多次迭代，神经网络不断调整其内部参数（如权重和偏置），以最小化预测值与实际值之间的误差。这种优化过程使得神经网络能够更准确地处理输入数据，提高分类、回归等任务的性能。

epochs = 5
for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1} \n-------------------------")
    train(train_dataloder,model,loss_fn,optimizer)
print("Done!")
test(test_datalodar,model,loss_fn)

输出结果：

Epoch 1 
-------------------------
loss:0.182339 [number:200]
loss:0.229839 [number:400]
loss:0.210450 [number:600]
loss:0.028532 [number:800]
Epoch 2 
-------------------------
loss:0.066216 [number:200]
loss:0.149762 [number:400]
loss:0.084482 [number:600]
loss:0.003749 [number:800]
…………
Done!
Test result: 
 Accuracy:98.99%,Avg loss:0.03138259953491878

总结

本篇介绍了如何搭建卷积神经网络，其主要的构造部分为卷积层、激活层以及池化层，可以搭建多层该部分对数据进行多次卷积、池化。
注意：同普通的神经网络不同，卷积神经网络在传入图片时不需要将其展开，因为对图片进行卷积就是在原图上进行内积，不能展开。