搭建一个简单的神经网络LeNet（基于PyTorch）

简介

PyTorch的简洁设计使得它入门很简单，本文将利用PyTorch来搭建一个简单的神经网络（LeNet），在另外一篇博客中，我们将利用本文搭建的神经网络来实现CIFAR-10图像分类问题。

神经网络

Autograd实现了反向传播功能，但是直接用来写深度学习的代码在很多情况下还是稍显复杂，torch.nn是专门为神经网络设计的模块化接口。nn构建于 Autograd之上，可用来定义和运行神经网络。nn.Module是nn中最重要的类，可把它看成是一个网络的封装，包含网络各层定义以及forward方法，调用forward(input)方法，可返回前向传播的结果。下面就以最早的卷积神经网络：LeNet为例，来看看如何用nn.Module实现。LeNet的网络结构如图2-7所示。

这是一个基础的前向传播(feed-forward)网络: 接收输入，经过层层传递运算，得到输出。

定义网络

定义网络时，需要继承nn.Module，并实现它的forward方法，把网络中具有可学习参数的层放在构造函数__init__中。如果某一层(如ReLU)不具有可学习的参数，则既可以放在构造函数中，也可以不放。但建议不放在其中，而在forward中使用nn.functional代替。完整代码已给出。

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        # nn.Module子类必须在构造函数中执行父类的构造函数
        # 下式等价于nn.Module.__init__(self)
        super(Net, self).__init__()
        
        # 卷积层 '1'表示输入图片为单通道, '6'表示输出通道数，'5'表示卷积核为5*5
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5) 
        # 卷积层
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5) 
        # 仿射层/全连接层，y = Wx + b
        self.fc1   = nn.Linear(16*5*5, 120) 
        self.fc2   = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3   = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x): 
        # 卷积 -> 激活 -> 池化 
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)    # torch.Size([1, 16, 5, 5])
        # reshape，‘-1’表示自适应
        x = x.view(x.size()[0], -1)      #  torch.Size([1, 400])
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)        
        return x

net = Net()
net

只要在nn.Module的子类中定义了forward函数，backward函数就会自动被实现(利用autograd)。在forward 函数中可使用任何tensor支持的函数，还可以使用if、for循环、print、log等Python语法，写法和标准的Python写法一致。

网络的可学习参数通过net.parameters()返回，net.named_parameters可同时返回可学习的参数及名称。

params = list(net.parameters())
len(params)

for name,parameters in net.named_parameters():
    print(name,':',parameters.size())

forward函数的输入和输出都是Tensor。

input = t.randn(1, 1, 32, 32)          # (1, 1, 32, 32)  Tensor
out = net(input)                       # input -> x
out
out.size()                             # (1, 10)

net.zero_grad() # 所有参数的梯度清零
out.backward(t.ones(1,10)) # 反向传播

需要注意的是，torch.nn只支持mini-batches，不支持一次只输入一个样本，即一次必须是一个batch。但如果只想输入一个样本，则用 input.unsqueeze(0)将batch_size设为１。例如 nn.Conv2d 输入必须是4维的，形如$nSamples\times nChannels\times Height\times Width$。可将nSample设为1，即$1\times nChannels\times Height\times Width$。

损失函数

nn实现了神经网络中大多数的损失函数，例如nn.MSELoss用来计算均方误差，nn.CrossEntropyLoss用来计算交叉熵损失。

input
input.size()
output = net(input)    # tensor([[-0.1074,  0.0772,  0.0463, -0.0387, -0.0729,  0.0059, -0.0048,  0.0517, 0.0801,  0.0727]], grad_fn=)
target = t.arange(0,10).view(1,10)   # tensor([[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]])
criterion = nn.MSELoss()
loss = criterion(output, target.type(t.FloatTensor))
loss    # loss是个scalar

如果对loss进行反向传播溯源(使用grad_fn属性)，可看到它的计算图如下：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d  
      -> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear 
      -> MSELoss
      -> loss

当调用loss.backward()时，该图会动态生成并自动微分，也即会自动计算图中参数(Parameter)的导数。

# 运行.backward，观察调用之前和调用之后的grad
net.zero_grad() # 把net中所有可学习参数的梯度清零
print('反向传播之前 conv1.bias的梯度')
print(net.conv1.bias.grad)
loss.backward()
print('反向传播之后 conv1.bias的梯度')
print(net.conv1.bias.grad)

优化器

在反向传播计算完所有参数的梯度后，还需要使用优化方法来更新网络的权重和参数，例如随机梯度下降法(SGD)的更新策略如下：

weight = weight - learning_rate * gradient

手动实现如下：

learning_rate = 0.01
for f in net.parameters():
    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)   # inplace 减法

torch.optim中实现了深度学习中绝大多数的优化方法，例如RMSProp、Adam、SGD等，更便于使用，因此大多数时候并不需要手动写上述代码。

import torch.optim as optim
#新建一个优化器，指定要调整的参数和学习率
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr = 0.01)

# 在训练过程中
# 先梯度清零(与net.zero_grad()效果一样)
optimizer.zero_grad() 

# 计算损失
output = net(input)
loss = criterion(output, target.type(t.FloatTensor))

#反向传播
loss.backward()

#更新参数
optimizer.step()

数据加载与预处理

在深度学习中数据加载及预处理是非常复杂繁琐的，但PyTorch提供了一些可极大简化和加快数据处理流程的工具。同时，对于常用的数据集，PyTorch也提供了封装好的接口供用户快速调用，这些数据集主要保存在torchvison中。

torchvision实现了常用的图像数据加载功能，例如Imagenet、CIFAR10、MNIST等，以及常用的数据转换操作，这极大地方便了数据加载，并且代码具有可重用性。

补充：利用torch.nn工具箱搭建LeNet

这种方式更简洁，推荐。

# 首先定义一个LeNet网络
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
                    nn.Conv2d(3, 6, 5),
                    nn.ReLU(),
                    nn.MaxPool2d(2,2),
                    nn.Conv2d(6, 16, 5),
                    nn.ReLU(),
                    nn.MaxPool2d(2,2)
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(16 * 5 * 5, 120),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(120, 84),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(84, 10)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)
        x = self.classifier(x)
        return x

net = Net()

from torch import  optim
optimizer = optim.SGD(params=net.parameters(), lr=1)
optimizer.zero_grad() # 梯度清零，等价于net.zero_grad()

input = t.randn(1, 3, 32, 32)
output = net(input)
output.backward(output) # fake backward

optimizer.step() # 执行优化

References

• https://github.com/chenyuntc/pytorch-book
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/21562756
• 《深度学习框架—PyTorch入门与实践》——陈云