动手学深度学习笔记(五)——softmax回归实现

我们发现通过深度学习框架的高级API能够使实现线性回归变得更加容易。 同样,通过深度学习框架的高级API也能更方便地实现softmax回归模型。

文章目录

  • 1.1 图像分类数据集
    • 1.1.1 读取数据集
    • 1.1.2 读取小批量
    • 1.1.3 整合所有组件
  • 1.2 初始化模型参数
  • 1.3 损失函数
  • 1.4 优化算法
  • 1.5 训练

1.1 图像分类数据集

MNIST数据集是图像分类中广泛使用的数据集之一,但作为基准数据集过于简单。 我们将使用类似但更复杂的Fashion-MNIST数据集

%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch.utils import data
from torchvision import transforms
from d2l import torch as d2l

d2l.use_svg_display()

1.1.1 读取数据集

我们可以通过框架中的内置函数将Fashion-MNIST数据集下载并读取到内存中。

# 通过ToTensor实例将图像数据从PIL类型变换成32位浮点数格式,
# 并除以255使得所有像素的数值均在0到1之间
trans = transforms.ToTensor()
mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
    root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
    root="../data", train=False, transform=trans, download=True)

Fashion-MNIST由10个类别的图像组成, 每个类别由训练数据集(train dataset)中的6000张图像 和测试数据集(test dataset)中的1000张图像组成。 因此,训练集和测试集分别包含60000和10000张图像。 测试数据集不会用于训练,只用于评估模型性能。

len(mnist_train), len(mnist_test)
(60000, 10000)

每个输入图像的高度和宽度均为28像素。 数据集由灰度图像组成,其通道数为1。 为了简洁起见,将高度 h 像素、宽度 w 像素图像的形状记为 h×w 或( h , w )。

mnist_train[0][0].shape
torch.Size([1, 28, 28])

Fashion-MNIST中包含的10个类别,分别为t-shirt(T恤)、trouser(裤子)、pullover(套衫)、dress(连衣裙)、coat(外套)、sandal(凉鞋)、shirt(衬衫)、sneaker(运动鞋)、bag(包)和ankle boot(短靴)。 以下函数用于在数字标签索引及其文本名称之间进行转换。

def get_fashion_mnist_labels(labels):  
    """返回Fashion-MNIST数据集的文本标签"""
    text_labels = ['t-shirt', 'trouser', 'pullover', 'dress', 'coat',
                   'sandal', 'shirt', 'sneaker', 'bag', 'ankle boot']
    return [text_labels[int(i)] for i in labels]

创建一个函数来可视化这些样本。

def show_images(imgs, num_rows, num_cols, titles=None, scale=1.5):  #@save
    """绘制图像列表"""
    figsize = (num_cols * scale, num_rows * scale)
    _, axes = d2l.plt.subplots(num_rows, num_cols, figsize=figsize)
    axes = axes.flatten()
    for i, (ax, img) in enumerate(zip(axes, imgs)):
        if torch.is_tensor(img):
            # 图片张量
            ax.imshow(img.numpy())
        else:
            # PIL图片
            ax.imshow(img)
        ax.axes.get_xaxis().set_visible(False)
        ax.axes.get_yaxis().set_visible(False)
        if titles:
            ax.set_title(titles[i])
    return axes

以下是训练数据集中前几个样本的图像及其相应的标签。

X, y = next(iter(data.DataLoader(mnist_train, batch_size=18)))
show_images(X.reshape(18, 28, 28), 2, 9, titles=get_fashion_mnist_labels(y));

动手学深度学习笔记(五)——softmax回归实现_第1张图片

1.1.2 读取小批量

为了使我们在读取训练集和测试集时更容易,我们使用内置的数据迭代器,而不是从零开始创建。 回顾一下,在每次迭代中,数据加载器每次都会读取一小批量数据,大小为batch_size。 通过内置数据迭代器,我们可以随机打乱了所有样本,从而无偏见地读取小批量。

batch_size = 256

def get_dataloader_workers():  
    """使用4个进程来读取数据"""
    return 4

train_iter = data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                             num_workers=get_dataloader_workers())

1.1.3 整合所有组件

现在我们定义load_data_fashion_mnist函数用于获取和读取Fashion-MNIST数据集。 这个函数返回训练集和验证集的数据迭代器。 此外,这个函数还接受一个可选参数resize,用来将图像大小调整为另一种形状。

def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None):  
    """下载Fashion-MNIST数据集,然后将其加载到内存中"""
    trans = [transforms.ToTensor()]
    if resize:
        trans.insert(0, transforms.Resize(resize))
    trans = transforms.Compose(trans)
    mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
    mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(
        root="../data", train=False, transform=trans, download=True)
    return (data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                            num_workers=get_dataloader_workers()),
            data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=False,
                            num_workers=get_dataloader_workers()))

下面,我们通过指定resize参数来测试load_data_fashion_mnist函数的图像大小调整功能。

train_iter, test_iter = load_data_fashion_mnist(32, resize=64)
for X, y in train_iter:
    print(X.shape, X.dtype, y.shape, y.dtype)
    break
torch.Size([32, 1, 64, 64]) torch.float32 torch.Size([32]) torch.int64

1.2 初始化模型参数

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)

softmax回归的输出层是一个全连接层。 因此,为了实现我们的模型, 我们只需在Sequential中添加一个带有10个输出的全连接层。 同样,在这里Sequential并不是必要的, 但它是实现深度模型的基础。 我们仍然以均值0和标准差0.01随机初始化权重。

# PyTorch不会隐式地调整输入的形状。因此,
# 我们在线性层前定义了展平层(flatten),来调整网络输入的形状
net = nn.Sequential(nn.Flatten(), nn.Linear(784, 10))

def init_weights(m):
    if type(m) == nn.Linear:
        nn.init.normal_(m.weight, std=0.01)

net.apply(init_weights);

1.3 损失函数

loss = nn.CrossEntropyLoss()

1.4 优化算法

在这里,我们使用学习率为0.1的小批量随机梯度下降作为优化算法。 这与我们在线性回归例子中的相同,这说明了优化器的普适性。

trainer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.1)

1.5 训练

num_epochs = 10
d2l.train_ch3(net, train_iter, test_iter, loss, num_epochs, trainer)

动手学深度学习笔记(五)——softmax回归实现_第2张图片

和以前一样,这个算法使结果收敛到一个相当高的精度,而且这次的代码比之前更精简了。

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