《Pytorch - BP全连接神经网络模型》

2020年10月4号，国内已经5号凌晨了，依然在家学习。
今天是我写的第三个 Pytorch程序，从今天起也算是入门了。
这一次我想把之前自己手写的matlab实现的简易的传统的BP神经网络在Pytorch上重新实现一遍，想看看对比和效果差异。

这一次我设计的是一个四个层的全连接网络[784, 400, 200, 100, 10]的网络，输入层是400个节点，输出层是10个节点。其他的都是隐藏层，这里每一层节点的输出我用的是ReLu函数作为激活函数。测试数据依然是MNIST数据集。

核心步骤描述如下：

1：建立的网络模型如下：

结构十分清晰，完全就是按照上述的设计组建的模型，激活函数使用ReLu。

2：MNIST数据集采用运行阶段在网上下载的方式，如果指定目录已经存在该数据集，就会忽略掉download参数，跳过下载。

3：损失函数使用之前学习的交叉熵损失函数，梯度下降算则随机梯度下降。

4：为了我们方便观察整个训练的过程，我们在每一次迭代结束，都会现场使用模型去测试数据集上现场运行一把，看看实际的预测效果如何，分别记录下每次迭代过程中训练损失值，训练准确度，测试损失值，测试准确度，并且也是为了方便画图展示出来。

话不多说，我就直接上代码实例，代码的注释我都是用中文直接写的。

# -*- coding: utf-8 -*

"""
Created on Fri Jul 27 17:47:03 2018

@author: Administrator
"""
import numpy as np
import torch
from torchvision.datasets import mnist  # 导入 pytorch 内置的 mnist 数据

from torch import nn
from torch.autograd import Variable

from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt

# Step 1:============================准备数据===================
# 定义一个对图像像素数据的标准化处理函数
# 变换到0~255的范围，在变换到0~1的范围
# 对数据进行标准化
# 对图像数据从矩阵形式变成一个 W*H的一维向量
def data_tf(img):
    img = np.array(img, dtype='float32') / 255
    img = (img - 0.5) / 0.5  # 标准化，
    img = img.reshape((-1,))  # 拉平
    img = torch.from_numpy(img)
    return img

# 先来准备数据
# 使用内置函数下载 mnist 数据集，并且使用自定义的标准化函数对数据进行标准化
# download 参数是表明数据是要从网上下载么？如果该目录下已经存在数据集，就不会再下载了。
train_set = mnist.MNIST('./data', train = True, transform=data_tf, download = True)
test_set = mnist.MNIST('./data', train = False, transform=data_tf, download = True)
firstImg, firstImg_label = train_set[0]  # a为训练数据第一个的图像数据，a_label为训练数据第一个的标签
# 训练数据数量是60000
print(train_set)
# 测试数据数量是60000
print(test_set)
# 打印出第一个图像和其标签的值
print(firstImg.shape)
print(firstImg_label)

# DataLoader本质上就是一个iterable（跟python的内置类型list等一样），并利用多进程来加速batch data的处理，使用yield来使用有限的内存
# 使用 pytorch 自带的 DataLoader 定义一个数据迭代器，也就是将数据进行排序标号，shuffle也就是打乱数据
# DataLoader是一个高效，简洁，直观的网络输入数据结构，便于使用和扩展
# 这种方式能加快数据计算速度，减少训练时间。
train_data = DataLoader(train_set, batch_size=64, shuffle=True)  # 训练数据
test_data = DataLoader(test_set, batch_size=128, shuffle=False)  # 测试数据
# 这里展示的是一个批量处理的数据，想象成之前学习的mini-batch，每次迭代处理一个小批量的数据。
# 训练数据是64个图像为一组数据，维度是[64, 784]
batch, batch_label = next(iter(train_data))
# 打印出一个批次的数图像和其标签，主要为了展示维度。
print(batch.shape)
print(batch_label.shape)




# Step 2:============================定义模型===================
# 定义一个类，继承自 torch.nn.Module，torch.nn.Module是callable的类
# 在整个类里面重新定义一个标准的BP全连接神经网络，网络一共是四层，
# 层数定义：784, 400， 200， 100， 10
# 其中输入层784个节点，输出层是10个节点，分别代表10个数字，其他的层都是隐藏层。
# 我们使用了Relu的激活函数，而不是sigmoid激活函数
# 整个子类需要重写forward函数，
class BPNNModel(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        # 调用父类的初始化函数，必须要的
        super(BPNNModel, self).__init__()

        # 创建四个Sequential对象，Sequential是一个时序容器，将里面的小的模型按照序列建立网络
        self.layer1 = nn.Sequential(nn.Linear(784, 400), nn.ReLU())
        self.layer2 = nn.Sequential(nn.Linear(400, 200), nn.ReLU())
        self.layer3 = nn.Sequential(nn.Linear(200, 100), nn.ReLU())
        self.layer4 = nn.Sequential(nn.Linear(100, 10))

    def forward(self, img):
        # 每一个时序容器都是callable的，因此用法也是一样。
        img = self.layer1(img)
        img = self.layer2(img)
        img = self.layer3(img)
        img = self.layer4(img)
        return img


# 创建和实例化一个整个模型类的对象
model = BPNNModel()
# 打印出整个模型
print(model)




# Step 3:============================定义损失函数和优化器===================
# 定义 loss 函数，这里用的是交叉熵损失函数(Cross Entropy)，这种损失函数之前博文也讲过的。
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# 我们优先使用随机梯度下降，lr是学习率: 0.1
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), 1e-1)






# Step 4:============================开始训练网络===================
# 为了实时观测效果，我们每一次迭代完数据后都会，用模型在测试数据上跑一次，看看此时迭代中模型的效果。
# 用数组保存每一轮迭代中，训练的损失值和精确度，也是为了通过画图展示出来。
train_losses = []
train_acces = []
# 用数组保存每一轮迭代中，在测试数据上测试的损失值和精确度，也是为了通过画图展示出来。
eval_losses = []
eval_acces = []

for e in range(20):


    # 4.1==========================训练模式==========================
    train_loss = 0
    train_acc = 0
    model.train()   # 将模型改为训练模式

    # 每次迭代都是处理一个小批量的数据，batch_size是64
    for im, label in train_data:
        im = Variable(im)
        label = Variable(label)

        # 计算前向传播，并且得到损失函数的值
        out = model(im)
        loss = criterion(out, label)

        # 反向传播，记得要把上一次的梯度清0，反向传播，并且step更新相应的参数。
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

        # 记录误差
        train_loss += loss.item()

        # 计算分类的准确率
        _, pred = out.max(1)
        num_correct = (pred == label).sum().item()
        acc = num_correct / im.shape[0]
        train_acc += acc

    train_losses.append(train_loss / len(train_data))
    train_acces.append(train_acc / len(train_data))





    # 4.2==========================每次进行完一个训练迭代，就去测试一把看看此时的效果==========================
    # 在测试集上检验效果
    eval_loss = 0
    eval_acc = 0
    model.eval()  # 将模型改为预测模式

    # 每次迭代都是处理一个小批量的数据，batch_size是128
    for im, label in test_data:
        im = Variable(im)  # torch中训练需要将其封装即Variable，此处封装像素即784
        label = Variable(label)  # 此处为标签

        out = model(im)  # 经网络输出的结果
        loss = criterion(out, label)  # 得到误差

        # 记录误差
        eval_loss += loss.item()

        # 记录准确率
        _, pred = out.max(1)  # 得到出现最大值的位置，也就是预测得到的数即0—9
        num_correct = (pred == label).sum().item()  # 判断是否预测正确
        acc = num_correct / im.shape[0]  # 计算准确率
        eval_acc += acc

    eval_losses.append(eval_loss / len(test_data))
    eval_acces.append(eval_acc / len(test_data))
    print('epoch: {}, Train Loss: {:.6f}, Train Acc: {:.6f}, Eval Loss: {:.6f}, Eval Acc: {:.6f}'
          .format(e, train_loss / len(train_data), train_acc / len(train_data),
                  eval_loss / len(test_data), eval_acc / len(test_data)))

plt.title('train loss')
plt.plot(np.arange(len(train_losses)), train_losses)
plt.plot(np.arange(len(train_acces)), train_acces)
plt.title('train acc')
plt.plot(np.arange(len(eval_losses)), eval_losses)
plt.title('test loss')
plt.plot(np.arange(len(eval_acces)), eval_acces)
plt.title('test acc')
plt.show()

这里有一些输出，我们解释下：

上图展示的是，原始图像数据中，训练数据有60000个，测试数据有10000个，其中第一个训练数据图像是784维度的向量，该图像代表的数字是5。经过DataLoader后，训练数据每一批量的数据是64个图像，是64*784维度的矩阵。

上图展示模型的设计样貌。都是参数模型，四层网络，一共有四层参数。

通过打印，以及结合最后看我们的画出来图像，可见此时模型的准确率已经达到了98%，比我用matlab当初设计的那个模型还要高出6个百分点，框架肯定是做了很多优化的。