六月份组队学习【深入浅出PyTorch】Task02打卡笔记

本次吃瓜教程是Datawhale组织的组队学习 。
学习资料由开源学习组织Datawhale提供。
开源贡献：李嘉骐、牛志康、刘洋、陈安东、陈玉立、刘兴、郭棉昇、乔彬、邝俊伟
笔记部分内容来源于网络检索，如有侵权联系可删
本次学习针对的对象：
具备高数、线代、概率论基础，有一定的机器学习和深度学习基础，熟悉常见概念，会使用Python。
内容说明：PyTorch理论与实践结合，由基础知识到项目实战。
学习周期：14天

教程链接：https://datawhalechina.github.io/thorough-pytorch/index.html
B站视频：BV1L44y1472Z
学习者手册：https://mp.weixin.qq.com/s/pwWg0w1DL2C1i_Hs3SZedg

第三章PyTorch的主要组成模块

3.1PyTorch的介绍

第四章PyTorch基础实战

FashionMNIST时装分类

任务内容：
对10个类别的“时装”图像进行分类，使用FashionMNIST数据集https://github.com/zalandoresearch/fashion-mnist/tree/master/data/fashion 。下图给出了FashionMNIST中数据的若干样例图，其中每个小图对应一个样本。
FashionMNIST数据集中包含已经预先划分好的训练集和测试集，其中训练集共60,000张图像，测试集共10,000张图像。每张图像均为单通道黑白图像，大小为28*28pixel，分属10个类别。

下面让我们一起将第三章各部分内容逐步实现，来跑完整个深度学习流程。

import os
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import Dataset,DataLoader

配置训练环境和超参数

# 配置GPU，这里有两种方式
## 方案一：使用os.environ
os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0'
# 方案二：使用“device”，后续对要使用GPU的变量用.to(device)即可
device = torch.device("cuda:1" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

## 配置其他超参数，如batch_size, num_workers, learning rate, 以及总的epochs
batch_size = 256
num_workers = 0   # 对于Windows用户，这里应设置为0，否则会出现多线程错误
lr = 1e-4
epochs = 20

数据读入和加载

教程中展示了两种方式:

• 下载并使用PyTorch提供的内置数据集
• 从网站下载以csv格式存储的数据，读入并转成预期的格式
  第一种数据读入方式只适用于常见的数据集，如MNIST，CIFAR10等，PyTorch官方提供了数据下载。这种方式往往适用于快速测试方法（比如测试下某个idea在MNIST数据集上是否有效）
  第二种数据读入方式需要自己构建Dataset，这对于PyTorch应用于自己的工作中十分重要

同时，还需要对数据进行必要的变换，比如说需要将图片统一为一致的大小，以便后续能够输入网络训练；需要将数据格式转为Tensor类，等等。 这些变换可以很方便地借助torchvision包来完成，这是PyTorch官方用于图像处理的工具库。

# 首先设置数据变换
from torchvision import transforms

image_size = 28
data_transform = transforms.Compose
([
    transforms.ToPILImage(),   # 这一步取决于后续的数据读取方式，如果使用内置数据集则不需要
    transforms.Resize(image_size),
    transforms.ToTensor()
])

## 读取方式一：使用torchvision自带数据集，下载可能需要一段时间
from torchvision import datasets

train_data = datasets.FashionMNIST(root='./', train=True, download=True, transform=data_transform)
test_data = datasets.FashionMNIST(root='./', train=False, download=True, transform=data_transform)

csv数据下载链接：https://www.kaggle.com/zalando-research/fashionmnist

# 读取方式二：读入csv格式的数据，自行构建Dataset类
class FMDataset(Dataset):
    def __init__(self, df, transform=None):
        self.df = df
        self.transform = transform
        self.images = df.iloc[:,1:].values.astype(np.uint8)
        self.labels = df.iloc[:, 0].values
        
    def __len__(self):
        return len(self.images)
    
    def __getitem__(self, idx):
        image = self.images[idx].reshape(28,28,1)
        label = int(self.labels[idx])
        if self.transform is not None:
            image = self.transform(image)
        else:
            image = torch.tensor(image/255., dtype=torch.float)
        label = torch.tensor(label, dtype=
        torch.long)
        return image, label

train_df = pd.read_csv("./FashionMNIST/fashion-mnist_train.csv")
test_df = pd.read_csv("./FashionMNIST/fashion-mnist_test.csv")
train_data = FMDataset(train_df, data_transform)
test_data = FMDataset(test_df, data_transform)

在构建训练和测试数据集完成后，需要定义DataLoader类，以便在训练和测试时加载数据

train_loader = DataLoader(train_data, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=num_workers, drop_last=True)
test_loader = DataLoader(test_data, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=num_workers)

验证数据

读入后，我们可以做一些数据可视化操作，主要是验证我们读入的数据是否正确

import matplotlib.pyplot as plt
image, label = next(iter(train_loader))
print(image.shape, label.shape)
plt.imshow(image[0][0], cmap="gray")

torch.Size([256, 1, 28, 28]) torch.Size([256])
<matplotlib.image.AxesImage at 0x7f19a043cc10>

搭建训练模型

教程中采用了CNN作为训练模型，因此也参考教程来进行流程的基础实战

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1, 32, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2, stride=2),
            nn.Dropout(0.3),
            nn.Conv2d(32, 64, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2, stride=2),
            nn.Dropout(0.3)
        )
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(64*4*4, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 10)
        )
        
    def forward(self, x):
        x = self.conv(x)
        x = x.view(-1, 64*4*4)
        x = self.fc(x)
        # x = nn.functional.normalize(x)
        return x

model = Net()
model = model.cuda()

设定损失函数

教程中使用torch.nn模块自带的CrossEntropy损失
PyTorch会自动把整数型的label转为one-hot型，用于计算CE loss
这里需要确保label是从0开始的，同时模型不加softmax层（使用logits计算）,这也说明了PyTorch训练中各个部分不是独立的，需要通盘考虑

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
?nn.CrossEntropyLoss # 这里方便看一下weighting等策略

optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

训练和测试

def train(epoch):
    model.train()
    train_loss = 0
    for data, label in train_loader:
        data, label = data.cuda(), label.cuda()
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = criterion(output, label)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        train_loss += loss.item()*data.size(0)
    train_loss = train_loss/len(train_loader.dataset)
    print('Epoch: {} \tTraining Loss: {:.6f}'.format(epoch, train_loss))
def val(epoch):       
    model.eval()
    val_loss = 0
    gt_labels = []
    pred_labels = []
    with torch.no_grad():
        for data, label in test_loader:
            data, label = data.cuda(), label.cuda()
            output = model(data)
            preds = torch.argmax(output, 1)
            gt_labels.append(label.cpu().data.numpy())
            pred_labels.append(preds.cpu().data.numpy())
            loss = criterion(output, label)
            val_loss += loss.item()*data.size(0)
    val_loss = val_loss/len(test_loader.dataset)
    gt_labels, pred_labels = np.concatenate(gt_labels), np.concatenate(pred_labels)
    acc = np.sum(gt_labels==pred_labels)/len(pred_labels)
    print('Epoch: {} \tValidation Loss: {:.6f}, Accuracy: {:6f}'.format(epoch, val_loss, acc))
for epoch in range(1, epochs+1):
    train(epoch)
    val(epoch)

模型保存

在训练完成后，通过torch.save保存模型参数或者整个模型，也可以在训练过程中保存模型

save_path = "./FahionModel.pkl"
torch.save(model, save_path)

小结

本次打卡重点是先跟着教程中的示范先走一遍，慢慢把自己新学的东西消化消化。感谢牛志康开辟者提供的jupyternotebook使用教程！