Pytorch入门实战（2）-使用BP神经网络实现MNIST手写数字识别

上一篇：Pytorch入门实战（1） - 实现线性回归

涉及知识点

Pytorch nn.Module的基本使用

Pytorch nn.Linear的基本用法

PytorchVision Transforms的基本使用

Pytorch中DataLoader的基本用法

Pytorch详解NLLLoss和CrossEntropyLoss

如何确定神经网络的层数和隐藏层神经元数量

本文内容

本文将会使用BP神经网络（就是最普通的神经网络）实现一个MNIST手写数据集的实现。话不多说，直接开始。

首先先导入需要的包:

import os
import numpy as np
import torch
import torchvision
import matplotlib.pyplot as plt
from time import time
from torchvision import datasets, transforms
from torch import nn, optim

定义transform对象，其定义了数据集中的图片应该做怎样的处理：

transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                                transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)),])

加载和下载训练数据集，这里使用pytorch提供的API进行下载：

train_set = datasets.MNIST('train_set', # 下载到该文件夹下
                          download=not os.path.exists('train_set'), # 是否下载，如果下载过，则不重复下载
                          train=True, # 是否为训练集
                          transform=transform # 要对图片做的transform
                         )
train_set

Dataset MNIST
    Number of datapoints: 60000
    Root location: train_set
    Split: Train
    StandardTransform
Transform: Compose(
               ToTensor()
               Normalize(mean=(0.5,), std=(0.5,))
           )

等待一段时间下载成功后，可以看到训练集中一共有6w个数据，接下来下载测试数据集：

test_set = datasets.MNIST('test_set', 
                        download=not os.path.exists('test_set'),
                        train=False, 
                        transform=transform
                       )
test_set

Dataset MNIST
    Number of datapoints: 10000
    Root location: test_set
    Split: Test
    StandardTransform
Transform: Compose(
               ToTensor()
               Normalize(mean=(0.5,), std=(0.5,))
           )

测试数据集包含1w条数据

接下来构建训练数据集和测试数据集的DataLoader对象：

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_set, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_set, batch_size=64, shuffle=True)

dataiter = iter(trainloader)
images, labels = dataiter.next()

print(images.shape)
print(labels.shape)

torch.Size([64, 1, 28, 28])
torch.Size([64])

在上面，我们将其分成64个一组的图片，每个图片只有一个通道（灰度图），大小为28x28。抽一张绘制一下：

plt.imshow(images[0].numpy().squeeze(), cmap='gray_r');

到这里，前期准备工作就结束了。

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开始定义神经网络

class NerualNetwork(nn.Module):
    
    def __init__(self):
        super().__init__()
        
        """
        定义第一个线性层，
        输入为图片（28x28），
        输出为第一个隐层的输入，大小为128。
        """
        self.linear1 = nn.Linear(28 * 28, 128)
        # 在第一个隐层使用ReLU激活函数
        self.relu1 = nn.ReLU()
        """
        定义第二个线性层，
        输入是第一个隐层的输出，
        输出为第二个隐层的输入，大小为64。
        """
        self.linear2 = nn.Linear(128, 64)
        # 在第二个隐层使用ReLU激活函数
        self.relu2 = nn.ReLU()
        """
        定义第三个线性层，
        输入是第二个隐层的输出，
        输出为输出层，大小为10
        """
        self.linear3 = nn.Linear(64, 10)
        # 最终的输出经过softmax进行归一化
        self.softmax = nn.LogSoftmax(dim=1)
        
        # 上述动作可以直接使用nn.Sequential写成如下形式：
        self.model = nn.Sequential(nn.Linear(28 * 28, 128),
                      nn.ReLU(),
                      nn.Linear(128, 64),
                      nn.ReLU(),
                      nn.Linear(64, 10),
                      nn.LogSoftmax(dim=1)
                 )
        
    def forward(self, x):
        """
        定义神经网络的前向传播
        x: 图片数据, shape为(64, 1, 28, 28)
        """
        # 首先将x的shape转为(64, 784)
        x = x.view(x.shape[0], -1)
        
        # 接下来进行前向传播
        x = self.linear1(x)
        x = self.relu1(x)
        x = self.linear2(x)
        x = self.relu2(x)
        x = self.linear3(x)
        x = self.softmax(x)
        
        # 上述一串，可以直接使用 x = self.model(x) 代替。
        
        return x

model = NerualNetwork()

神经网络定义完后，开始定义损失函数，这里选用负对数似然损失函数（NLLLoss， negative log likelihood loss），其常用于分类任务。详情可参考链接

criterion = nn.NLLLoss()

接下来定义优化器，这里使用随机梯度下降法，学习率设置为0.003，momentum取默认的0.9（用于防止过拟合）

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.003, momentum=0.9)

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准备工作完毕，开始训练数据集：

time0 = time() # 记录下当前时间
epochs = 15 # 一共训练15轮
for e in range(epochs):
    running_loss = 0 # 本轮的损失值
    for images, labels in train_loader:
        # 前向传播获取预测值
        output = model(images) 
        
        # 计算损失
        loss = criterion(output, labels) 
        
        # 进行反向传播
        loss.backward()
        
        # 更新权重
        optimizer.step()
        
        # 清空梯度
        optimizer.zero_grad() 
        
        # 累加损失
        running_loss += loss.item()
    else:
        # 一轮循环结束后打印本轮的损失函数
        print("Epoch {} - Training loss: {}".format(e, running_loss/len(trainloader)))
        
# 打印总的训练时间        
print("\nTraining Time (in minutes) =",(time()-time0)/60)

Epoch 0 - Training loss: 0.6462286284117937
Epoch 1 - Training loss: 0.27847810615418056
Epoch 2 - Training loss: 0.21768317640081905
Epoch 3 - Training loss: 0.17949896098088736
Epoch 4 - Training loss: 0.1514430489978874
Epoch 5 - Training loss: 0.12892813527329103
Epoch 6 - Training loss: 0.11302738852882341
Epoch 7 - Training loss: 0.09980541475113235
Epoch 8 - Training loss: 0.08899609394905679
Epoch 9 - Training loss: 0.0805584444001174
Epoch 10 - Training loss: 0.07290568387211323
Epoch 11 - Training loss: 0.06743549962075296
Epoch 12 - Training loss: 0.06314737589380491
Epoch 13 - Training loss: 0.056689855163551565
Epoch 14 - Training loss: 0.05361823974547586

Training Time (in minutes) = 2.9436919848124186

最终在我这台机器上，花费了2分多钟完成了训练。可以看到，损失是越来越小的。

接下来进行模型的评估

correct_count, all_count = 0, 0
model.eval() # 将模型设置为评估模式

# 从test_loader中一批一批加载图片
for images,labels in test_loader:
    # 循环检测这一批图片
    for i in range(len(labels)):
        logps = model(images[i])  # 进行前向传播，获取预测值
        probab = list(logps.detach().numpy()[0]) # 将预测结果转为概率列表。[0]是取第一张照片的10个数字的概率列表（因为一次只预测一张照片）
        pred_label = probab.index(max(probab)) # 取最大的index作为预测结果
        true_label = labels.numpy()[i]
        if(true_label == pred_label): # 判断是否预测正确
            correct_count += 1
        all_count += 1

print("Number Of Images Tested =", all_count)
print("\nModel Accuracy =", (correct_count/all_count))

Number Of Images Tested = 10000

Model Accuracy = 0.9741

最终，本次训练在测试数据集上的精准率为97.41%

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参考资料

Handwritten Digit Recognition Using PyTorch — Intro To Neural Networks： https://towardsdatascience.com/handwritten-digit-mnist-pytorch-977b5338e627