AI练手系列(一)—— 利用Pytorch训练CIFAR-10数据集

本文通过记录在pytorch中训练CIFAR-10数据集的一些过程,实现一个基本的数据集的分类,并在此过程中加强对图片、张量、CNN网络的理解,并尝试去总结一些训练技巧,记录一个新手对数据及网络的理解。

CIFAR—10数据集

CIFAR-10数据集包含10个类别的60000个32x32彩色图像,每个类别6000个图像。 有50000张训练图像和10000张测试图像。数据集地址如下:

The CIFAR-10 dataset

示例如下:

AI练手系列(一)—— 利用Pytorch训练CIFAR-10数据集_第1张图片

接下来我们要做的事情便是利用各种CNN的网络模型,在训练集上训练我们的模型,然后在测试集上测试模型的泛化能力,然后不断调节各种超参数及网络模型的细节,已到达在测试集上有更高的分类准确率的目的。

代码实现

代码实现如下:

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torchvision
import torchvision.datasets as datasets
import torchvision.transforms as transforms
import matplotlib.pyplot as plt 
import io
import sys
import os

#超参数定义
EPOCH = 100
BATCH_SIZE = 64
LR = 0.001
#数据集加载
#对训练集及测试集数据的不同处理组合
transform_train = transforms.Compose([
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.RandomGrayscale(),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
transform_test = transforms.Compose([     
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
#将数据加载进来,本地已经下载好, root=os.getcwd()为自动获取与源码文件同级目录下的数据集路径   
train_data = datasets.CIFAR10(root=os.getcwd(), train=True,transform=transform_train,download=False)
test_data =datasets.CIFAR10(root=os.getcwd(),train=False,transform=transform_test,download=False)

#数据分批
from torch.utils.data import DataLoader
#使用DataLoader进行数据分批,dataset代表传入的数据集,batch_size表示每个batch有多少个样本
#shuffle表示在每个epoch开始的时候,对数据进行重新排序
#数据分批之前:torch.Size([3, 32, 32]):Tensor[[32*32][32*32][32*32]],每一个元素都是归一化之后的RGB的值;数据分批之后:torch.Size([64, 3, 32, 32])
#数据分批之前:train_data([50000[3*[32*32]]])
#数据分批之后:train_loader([50000/64*[64*[3*[32*32]]]])
train_loader = DataLoader(dataset=train_data,batch_size=BATCH_SIZE,shuffle=True,num_workers=2)
test_loader = DataLoader(dataset=test_data,batch_size=BATCH_SIZE,shuffle=True,num_workers=2)

#模型加载,有多种内置模型可供选择
model = torchvision.models.densenet201(pretrained=False)

#定义损失函数,分类问题使用交叉信息熵,回归问题使用MSE
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
#torch.optim来做算法优化,该函数甚至可以指定每一层的学习率,这里选用Adam来做优化器,还可以选其他的优化器
optimizer = optim.Adam(model.parameters(),lr=LR)

#设置GPU
device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
#模型和输入数据都需要to device
mode  = model.to(device)

#模型训练
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
writer = SummaryWriter('cifar-10')
for epoch in range(EPOCH):
    for i,data in enumerate(train_loader):
        #取出数据及标签
        inputs,labels = data
        #数据及标签均送入GPU或CPU
        inputs,labels = inputs.to(device),labels.to(device)
        
        #前向传播
        outputs = model(inputs)
        #计算损失函数
        loss = criterion(outputs,labels)
        #清空上一轮的梯度
        optimizer.zero_grad()
        
        #反向传播
        loss.backward()
        #参数更新
        optimizer.step()
        #利用tensorboard,将训练数据可视化
        if  i%50 == 0:
            writer.add_scalar("Train/Loss", loss.item(), epoch*len(train_loader)+i)
        #print('it’s training...{}'.format(i))
    print('epoch{} loss:{:.4f}'.format(epoch+1,loss.item()))

#保存模型参数
torch.save(model,'cifar10_densenet161.pt')
print('cifar10_densenet161.pt saved')

#模型加载
model = torch.load('cifar10_densenet161.pt')
#测试
#model.eval()
model.train()

correct,total = 0,0
for j,data in enumerate(test_loader):
    inputs,labels = data
    inputs,labels = inputs.to(device),labels.to(device)
    #前向传播
    outputs = model(inputs)
    _, predicted = torch.max(outputs.data,1)
    total =total+labels.size(0)
    correct = correct +(predicted == labels).sum().item()
    #准确率可视化
    if  j%20 == 0:
        writer.add_scalar("Train/Accuracy", 100.0*correct/total, j)
        
print('准确率:{:.4f}%'.format(100.0*correct/total))

训练过程

以下整理训练过程的大致情况

trick:

A:model.eval()换成了model.train()

B:pretrained=True

C:优化器使用SGD

D:0-50,lr=0.01;50-150,lr=0.001,150-200,lr=0.0001

E:transform_train,transform_test

F:num_workers=2

先试了一下各个模型在同等条件下的表现,EPOCH选的比较小,是为了更快的得出结果:

Model EPOCH BATCH_SIZE LR Tricks Min_Loss Accuracy
Resnet50 10 64 0.001 - 0.7573 68.0700%
Resnet101 10 64 0.001 - 1.1134 52.9000%
Resnet150 10 64 0.001 - 1.3076 51.0700%
Resnet18 10 64 0.001 - 0.2364 67.7100%
Resnet34 10 64 0.001 - 0.4274 71.9800%
Densenet161 10 64 0.001 - 0.1355 73.8000%
Densenet201 10 64 0.001 - 0.2540 77.7300%

可以看出:同样使用Resnet,并不是网络层数越多网络表现越好;同等条件下Densenet的表现更好,而且很明显;同样使用Densenet,网络层数越深,效果越好,但实际运行时耗时较多。

选用Densenet161及Densenet201作为基准模型,开始调整其他参数:

Model EPOCH BATCH_SIZE LR Tricks Min_Loss Accuracy
Densenet161 10 64 0.001 - 0.1355 73.8000%
30 64 0.001 - 0.0039 79.4600%
200 64 0.001 - 0.0000(e73)
0.0002(e37)
81.5100%
Densenet161 10 64 0.001 A 0.1401 78.0000%
10 32 0.001 A 0.1470 78.8200%
10 128 0.001 A 0.2270 77.8300%
10 512 0.001 A 0.2391 74.5100%
10 64 0.0001 A 0.1392 64.0600%
37 32 0.001 A 0.0012 79.4100%
10 64 0.001 A+B 0.5316 76.6300%
Densenet201 10 64 0.001 - 0.2540 77.7300%
10 64 0.001 C 1.0627 53.7300%
200 64 0.001 D 0.0000(e62) 80.8600%
10 64 0.001 E+F 0.3051 78.8100%

可以看出,在epoch=10、batch_size=64,lr=0.001的同等条件下,densenet201的效果要好于densenet161,而且batch_size=32的效果也要更好,但分批设置LR(D)的效果还没看出来,从数据看几个trick中,A、E、F对于提升准确率也是有帮助的,B貌似起到了负效果,C严重影响了模型的训练。接下来设置一组参数:

Model EPOCH BATCH_SIZE LR Tricks Times Min_Loss Accuracy
densenet201 100 32 0.001 AEF 8H 0.0001(E87) 83.2100%

果然,效果达到了最佳,那还能不能继续改进呢。比如加上D(分段设置lr),会不会更好一点呢:经过一晚上的训练之后结果如下:

(D:e1-e24:0.01,e25-e79:0.001,e80-e100:0.0005)

Model EPOCH BATCH_SIZE LR Tricks Times Min_Loss Accuracy
densenet201 100 32 0.001 ADEF 8H 0.0002(E86) 82.5300%

效果上来看没有之前好。那就这样吧,在这个上面浪费了太多的时间,暂且这样。

总结:网络层数的加深一般能起到比较积极的作用;训练的循环次数加深在一定范围内对网络模型训练的正向作用较大;合适且较小的BATCH_SIZE能在数据量一定的情况下提升训练效果;变化的学习率可能会起到比较好的作用,但是这个变化本身也是很难设定的;优化器的选取也十分重要;数据的预处理、模型的小细节也可以为优化网络作出一份贡献。

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