街景字符编码识别项目学习笔记（二）pytorch in deep learning

内容简介

本文为针对Datacamp上的Introduction to deep learning by pytorch课程的学习总结。Datacamp（官网链接）内含许多python的专题知识讲解，以几分钟的视频教学加在线编程实操为主。笔者在下两个博客中将总结pytorch中的基本张量创建以及其在深度学习当中的一些应用，最终将实现Alexnet并完成从读取数据到训练评估的全过程。本博客先总结tensor的基本运算，而后实现基本的全连接神经网络，下个博客将介绍卷积神经网络相关操作，并实现AlexNet。

tensor创建与基本运算

创建一个tensor

tensor_1 = torch.tensor([2.,-4.])

创建一个m行n列的tensor 每一个元素为0-1随机 此随机分布为均匀分布

tensor_1=torch.rand(m,n) 

创建一个m行n列的tensor 每一个元素为均值为0 方差为1的高斯分布

tensor_1=torch.randn(m,n) 

对二维tansor的索引 高维也如此

print(tensor_1[1][2]) 

修改tensor中的数值 tensor中每一个元素的类别为 torch.tensor

tensor_1[1][2]=3
print(tensor_1[1][2]) 

创建一个m行n列全为1的二维tensor

tensor_1 = torch.ones(m,n)

创建一个m行n列全为0的二维tensor

tensor_1 = torch.zeros(m,n)

创建一个n1行n2列的单位tensor（n1=n2） 当n2>n1时 多出来的列会全为0

tensor_1 = torch.eye(n,n)

实现二维张量的点乘

tensor_3 = torch.matmul(tensor_1,tensor_2)

创建基本的神经网络 （PyTorch 风格）

当一个张量反向传播时需要求解梯度需要对张量进行如下说明

x = torch.tensor(4., requires_grad=True) 

当我们希望数字4置换为上文提到的矩阵时，操作如下

tensor_1 = torch.rand(3,4)
tensor_1.requires_grad_(True)

一个简要的pytorch风格神经网络如下所示

import torch
import torch.nn as nn #torch.nn.Module 为所有模型的基类 此为继承关系

class Net(nn.Module): #继承基类
    def __init__(self):
        super(Net,self).__init__() #super 为调用父类的方法
        self.fc1 = nn.Linear(10,20) #这里的nn.Linear 即为神经网络中的线性全连接层 10为前层神经元个数 20为后层神经元个数
        self.fc2 = nn.Linear(20,20)
        self.output = nn.Linear(20,4) #至此我们实现了一个10输入4输出的全连接神经网络(Fully connected neural network)
     
     def forward(self,x) #定义张量x的反向传播
         x = self.fc1(x) #张量经过了fc1层进行了更新 下同
         x = self.fc2(x)
         x = self.output(x)
         return x
         
input_layer = torch.rand(10) #创建了一个1*10的tenosr 符合网络层的输入
net = Net() #实例化
result = net(input_layer) #获得网络的输出

一些常用的激活函数总结如下图

使用ReLU激活函数的例子如下所示

import torch.nn as nn
relu = nn.ReLU() #实例化ReLU激活函数
tensor_1 = torch.tensor([2.,-4.])
print(relu(tensor_1))

使用交叉熵损失函数的例子如下所示

import torch.nn as nn

logits = torch.tensor([[3.2,5.1,-1.7]]) #定义输入
ground_truth = torch.tensor([0]) #定义全局真值
criterion = nn.CrossEntropyLoss() #实例化交叉熵损失函数 实际上这是模型的评价标准的设定方法
loss = criterion(logits,ground_truth)
print(loss)

用PyTorch创建数据集

import torch
import torchvision        #torchvision是独立于pytoch的一些处理图像的工具库
import torch.utils.data   #用于读取数据 包括 Dataset DataLoader Sampler 三个类
import torchvision.transforms as transforms

transform = transforms.Compose(
    [transforms.Totensor(), #转换为tensor
     transforms.Normalize((0.4914,0.48216,0.44653),
                          (0.24703,0.24349,0.26159))])

torchvision.transforms 是pytorch中的图像预处理包，包含了很多种对图像数据进行变换的函数，这些是将数据集转换为网络正确输入的必不可少的步骤。上述两个函数的功能为：

1. transforms.Totensor() 将一张PIL图像转换为张量(convert a PIL image to tensor (HWC) in range [0,255] to a torch.Tensor(CHW) in the range [0.0,1.0])
2. transforms.Normalize()用给定的均值和标准差分别对每个通道的数据进行正则化。因为一张图片一般为3通道，所以每一组三个数字分别对应的是三个通道。(Normalized an tensor image with mean and standard deviation)

标准化过程的数学表达为：
$$输出(output)=\frac{输入(input)-均值(mean)}{标准差(std)}$$
以下以读取CIFAR10数据集为例说明pytorch划分数据集以及测试集的方式

trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=transform) #这里实际上是从网络上自动下载CIFAR10数据集到根目录下 下同

testset  = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=transform) 

trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset,batch_size=32,shuffle=True,num_workers=0)

testloader  = torch.utils.data.DataLoader(testset,batchsize=32,shuffle=False,num_workers=0)

对loader的定义中，batchsize定义同训练时的batchsize定义。shuffle为是否将数据集乱序，num_workers为训练过程当中的线程数目。因为Windows中只支持单线程，所以在win10等系统中num_workers为0,在Linux系统下按需设置。

对dataloader进行可视化

print(testloader,dataset.test_data.shape,trainloader.dataset.train_data.shape)
print(testloader.batch_size)
print(trainloader.sampler)

Training by PyTorch

定义神经网络基本架构，其中包含两层全连接层 输入为32*32的三通道图像

import torch
import torch.nn
import torch.nn.functional as F #取pytorch当中已经定义好的函数

#定义神经网络的基本架构
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net,self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(32*32*3,500)
        self.fc2 = nn.Linear(500,10)
        
    def forward(self,x):
        x = F.relu(self.fc1(x))
        return self.fc2(x)

net = Net() #实例化神经网络
criterion = nn.CrossEntropyLoss() #采用交叉熵函数作为输出与ground truth的衡量标准
optimizer = optim.Adam(net.parameters(),lr=3e-4) #这里定义优化器 采用Adam作为梯度下降算法 同时加上权重的二范数正则化项 正则化项的系数为lr变量

for eopch in range(10): #定义训练进行的epoch数目
    for i,data in enmerate(trainloader,0):
        inputs,label = data
        inputs = inputs.view(-1,32*32*3) #view方法是对张量的行列进行重新排列 此处转换为1行32*32*3的张量
        optimizer.zero_grad() #将梯度全部初始化为0
        outputs = net(inputs)
        loss = criterion(output,labels)
        loss.backward() #建立梯度的反向传播过程 反向传播求解梯度
        optimizer.step() #将模型当中的所有参数针对梯度进行更新

Using net to get predicts by PyTorch

承接上一节的代码

correct.total = 0,0 #定义正确的数目和全部的数目
predictions = []
net.eval()

for i,data in enumerate(testloader,0):
    inputs,labels = data
    outputs = net(inputs)
    ~,predicted = torch.max(outputs.data,1)
    predictions.append(outputs)
    total += labels.size(0)
    correct += (predicted == labels).sum().item()

print('The acc is: %d %%'%(100*correct/total))