超详细PyTorch实现手写数字识别器的示例代码

2024-04-02 19:55

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前言

深度学习中有很多玩具数据，mnist就是其中一个，一个人能否入门深度学习往往就是以能否玩转mnist数据来判断的，在前面很多基础介绍后我们就可以来实现一个简单的手写数字识别的网络了

数据的处理

我们使用pytorch自带的包进行数据的预处理


import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

transform = transforms.Compose([
  transforms.ToTensor(),
  transforms.Normalize((0.5), (0.5))
])
trainset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=32, shuffle=True,num_workers=2)

注释:transforms.Normalize用于数据的标准化，具体实现
mean:均值总和后除个数
std:方差每个元素减去均值再平方再除个数


norm_data = (tensor - mean) / std

这里就直接将图片标准化到了-1到1的范围，标准化的原因就是因为如果某个数在数据中很大很大，就导致其权重较大，从而影响到其他数据，而本身我们的数据都是平等的，所以标准化后将数据分布到-1到1的范围，使得所有数据都不会有太大的权重导致网络出现巨大的波动
trainloader现在是一个可迭代的对象，那么我们可以使用for循环进行遍历了，由于是使用yield返回的数据，为了节约内存

观察一下数据


def imshow(img):
   img = img / 2 + 0.5 # unnormalize
   npimg = img.numpy()
   plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
   plt.show()
# torchvision.utils.make_grid 将图片进行拼接
imshow(torchvision.utils.make_grid(iter(trainloader).next()[0]))

在这里插入图片描述

构建网络


from torch import nn
import torch.nn.functional as F
class Net(nn.Module):
  def __init__(self):
    super(Net, self).__init__()
    self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=28, kernel_size=5) # 14
    self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2) # 无参数学习因此无需设置两个
    self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=28, out_channels=28*2, kernel_size=5) # 7
    self.fc1 = nn.Linear(in_features=28*2*4*4, out_features=1024)
    self.fc2 = nn.Linear(in_features=1024, out_features=10)
  def forward(self, inputs):
    x = self.pool(F.relu(self.conv1(inputs)))
    x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
    x = x.view(inputs.size()[0],-1)
    x = F.relu(self.fc1(x))
    return self.fc2(x)

下面是卷积的动态演示

在这里插入图片描述

in_channels:为输入通道数彩色图片有3个通道黑白有1个通道
out_channels:输出通道数
kernel_size:卷积核的大小
stride:卷积的步长
padding:外边距大小

输出的size计算公式

h = (h - kernel_size + 2*padding)/stride + 1
w = (w - kernel_size + 2*padding)/stride + 1

MaxPool2d:是没有参数进行运算的

在这里插入图片描述

实例化网络优化器，并且使用GPU进行训练


net = Net()
opt = torch.optim.Adam(params=net.parameters(), lr=0.001)
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
net.to(device)


Net(
 (conv1): Conv2d(1, 28, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
 (pool): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
 (conv2): Conv2d(28, 56, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
 (fc1): Linear(in_features=896, out_features=1024, bias=True)
 (fc2): Linear(in_features=1024, out_features=10, bias=True)
)

训练主要代码


for epoch in range(50):
  for images, labels in trainloader:
    images = images.to(device)
    labels = labels.to(device)
    pre_label = net(images)
    loss = F.cross_entropy(input=pre_label, target=labels).mean()
    pre_label = torch.argmax(pre_label, dim=1)
    acc = (pre_label==labels).sum()/torch.tensor(labels.size()[0], dtype=torch.float32)
    net.zero_grad()
    loss.backward()
    opt.step()
  print(acc.detach().cpu().numpy(), loss.detach().cpu().numpy())

F.cross_entropy交叉熵函数

在这里插入图片描述

源码中已经帮助我们实现了softmax因此不需要自己进行softmax操作了
torch.argmax计算最大数所在索引值


acc = (pre_label==labels).sum()/torch.tensor(labels.size()[0], dtype=torch.float32)
# pre_label==labels 相同维度进行比较相同返回True不同的返回False，True为1 False为0, 即可获取到相等的个数，再除总个数，就得到了Accuracy准确度了

预测


testset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=128, shuffle=True,num_workers=2)
images, labels = iter(testloader).next()
images = images.to(device)
labels = labels.to(device)
with torch.no_grad():
  pre_label = net(images)
  pre_label = torch.argmax(pre_label, dim=1)
  acc = (pre_label==labels).sum()/torch.tensor(labels.size()[0], dtype=torch.float32)
  print(acc)