pytorch主要模块

机器学习与深度学习基本步骤

机器学习基本流程如下·：

模型选择

确定模型

确定损失函数

确定优化函数

数据预处理

划分训练集与测试集

数据变换

缺失值处理

原始数据

模型训练与评估

深度学习基本流程如下：

分批读入

模型训练

模型训练与验证

确定损失函数

确定优化函数

模型构建

模型初始化

逐层搭建模型

数据预处理

划分训练集与测试集

数据变换

缺失值处理

原始数据

模型测试

pytorch模型训练基本流程

基本参数设置

import os
import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
import torch.optim as optimizer
#初始化超参数
batch_size = 16 #batch size
lr = 1e-4 #初始学习率
max_epochs = 100 #最大训练次数
#GPU设置
# 方案一：使用os.environ，这种情况如果使用GPU不需要设置
os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0,1'
# 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")

数据读入

自定义数据类

自定义Dataset类需要继承PyTorch自身的Dataset类。主要包含三个函数：

• __init __: 用于向类中传入外部参数，同时定义样本集
• __getitem __: 用于逐个读取样本集合中的元素，可以进行一定的变换，并将返回训练/验证所需的数据
• __len __: 用于返回数据集的样本数

例如：

class MyDataset(Dataset):
    def __init__(self, data_dir, info_csv, image_list, transform=None):
        """
        Args:
            data_dir: path to image directory.
            info_csv: path to the csv file containing image indexes
                with corresponding labels.
            image_list: path to the txt file contains image names to training/validation set
            transform: optional transform to be applied on a sample.
        """
        label_info = pd.read_csv(info_csv)
        image_file = open(image_list).readlines()
        self.data_dir = data_dir
        self.image_file = image_file
        self.label_info = label_info
        self.transform = transform

    def __getitem__(self, index):
        """
        Args:
            index: the index of item
        Returns:
            image and its labels
        """
        image_name = self.image_file[index].strip('\n')
        raw_label = self.label_info.loc[self.label_info['Image_index'] == image_name]
        label = raw_label.iloc[:,0]
        image_name = os.path.join(self.data_dir, image_name)
        image = Image.open(image_name).convert('RGB')
        if self.transform is not None:
            image = self.transform(image)
        return image, label

    def __len__(self):
        return len(self.image_file)

从本地读入数据

from torchvision import datasets
# train_path = '' #训练集路径
# val_path = '' # 测试集路径
train_data = datasets.ImageFolder(train_path, transform=data_transform)
val_data = datasets.ImageFolder(val_path, transform=data_transform)
# 或
train_data = MyDataset(train_path, transform=data_transform)
val_data = MyDataset(val_path, transform=data_transform)

数据分批加载

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_data, batch_size=batch_size, num_workers=4, shuffle=True, drop_last=True)
val_loader = torch.utils.data.DataLoader(val_data, batch_size=batch_size, num_workers=4, shuffle=False)
# batch_size：每批读入的样本数
# num_workers：有多少个进程用于读取数据
# shuffle：是否将读入的数据打乱
# drop_last：对于样本最后一部分没有达到批次数的样本，使其不再参与训练

图片数据查看

import matplotlib.pyplot as plt
images, labels = next(iter(val_loader))
print(images.shape)
plt.imshow(images[0].transpose(1,2,0))
plt.show()

模型构建

搭建深度学习神经网络主要通过torch.nn模块。torch.nn主要包含以下几个部分：

分类	模块	子模块	说明
参数	parameter	Parameter	模型参数，Tensor
		UninitializedParameter	无需初始化参数
		UninitializedBuffer	无需初始化Tensor
基本单元	Containers	Module	构建神经网络基础单元
		Sequential	将不同模块连接起来构成一个神经网络模型
		ModuleList/Dict	Module组成的List/Dict，无顺序连接关系
		ParameterList/Dict	参数的List/Dict
基础层	Convolution Layers （卷积层）	nn.Conv1d nn.Conv2d nn.Conv3d	1、2、3维信号卷积
		nn.ConvTranspose1d nn.ConvTranspose2d nn.ConvTranspose3d	1、2、3维图像转置卷积
		nn.LazyConv1d nn.LazyConv2d nn.LazyConv3d	使用第一个输入初始化参数1、2、3维信号卷积
		nn.LazyConvTranspose1d nn.LazyConvTranspose2d nn.LazyConvTranspose3d	使用第一个输入初始化参数1、2、3维图像转置卷积
		nn.Unfold	从滑动窗口中提取元素
		nn.Fold	将滑动窗口中的元素还原至Tensor
	Pooling layers （池化层）	nn.MaxPool1d nn.MaxPool2d nn.MaxPool3d	1、2、3维最大池化
		nn.MaxUnpool1d nn.MaxUnpool2d nn.MaxUnpool3d	1、2、3维最大池化加0还原
		nn.AvgPool1d nn.AvgPool2d nn.AvgPool3d	1、2、3维平均值池化
		nn.FractionalMaxPool2d nn.FractionalMaxPool3d	2、3维分数阶最大池化
		nn.LPPool1d nn.LPPool2d	1、2维幂平均池化
		nn.MaxPool1d nn.MaxPool2d nn.MaxPool3d	1、2、3维最大池化
		nn.AdaptiveMaxPool1d nn.AdaptiveMaxPool2d nn.AdaptiveMaxPool3d nn.AdaptiveAvgPool1d nn.AdaptiveAvgPool2d nn.AdaptiveAvgPool3d	1、2、3维自适应最大/平均池化
	Padding Layers	nn.ReflectionPad1d nn.ReflectionPad2d nn.ReflectionPad3d	用输入边界的反射（以边界为轴对称元素）填充输入张量
		nn.ReplicationPad1d nn.ReplicationPad2d nn.ReplicationPad3d	用输入边界元素填充输入张量
		nn.ZeroPad2d	用0输入张量
		nn.ConstantPad1d nn.ConstantPad2d nn.ConstantPad3d	用指定常数填充输入张量
	Non-linear Activations （非线性激活函数）	nn.Softmax nn.Sigmoid nn.ReLU nn.Tanh等	详情参照官网
	Linear Layers （线性层）	nn.Identity nn.Linear nn.Bilinear nn.LazyLinear	线性变化
	Normalization Layers	nn.BatchNorm1d nn.BatchNorm2d nn.BatchNorm3d nn.LazyBatchNorm1d nn.LazyBatchNorm2d nn.LazyBatchNorm3d	一个数据batch内进行归一化，详情参考论文
		nn.InstanceNorm1d nn.InstanceNorm2d nn.InstanceNorm3d nn.LazyInstanceNorm1d nn.LazyInstanceNorm2d nn.LazyInstanceNorm3d	一个通道内进行归一化
		nn.LayerNorm	一层进行归一化
		nn.GroupNorm	一组数据（mini-batch）内进行归一化
		nn.SyncBatchNorm	一组指定维度数据内进行归一化
		nn.LocalResponseNorm	指定数据周围局部进行归一化
	Recurrent Layers	nn.RNNBase nn.RNN nn.LSTM nn.GRU nn.RNNCell nn.LSTMCell nn.GRUCell	循环神经网络相关结构层
	Transformer Layers	nn.Transformer	Transformer模型
		nn.TransformerEncoder nn.TransformerDecoder	由多层编码层（解码层）组成的编码器（解码器）
		nn.TransformerEncoderLayer	由自注意力网络和前馈神经网络组成
		nn.TransformerDecoderLayer	由自注意力网络、multi-head自注意力网络和前馈神经网络组成
	Dropout Layers	nn.Dropout nn.Dropout2d nn.Dropout3d	在训练过程中按Bernoulli分布将概率p的数据随机变为0（防止过拟合）
		nn.AlphaDropout nn.FeatureAlphaDropout	dropout过程保持均值、标准差不变
	Sparse Layers	nn.Embedding	嵌入向量
		nn.EmbeddingBag	将embedding进行分组求和、均值计算
函数	距离函数	nn.CosineSimilarity	余弦相似度
		nn.PairwiseDistance	p范式成对距离
	损失函数	nn.L1Loss nn.MSELoss nn.CrossEntropyLoss nn.KLDivLoss等	详情参照官网
其他	Vision Layers	nn.PixelShuffle nn.PixelUnshuffle	像素重组/还原
		nn.Upsample nn.UpsamplingNearest2d nn.UpsamplingBilinear2d	上采样
	Shuffle Layers	nn.ChannelShuffle	通道数据打乱
	DataParallel Layers	nn.DataParallel nn.parallel.DistributedDataParallel	多GPU并行计算
	Utilities	from torch.nn.utils import...	详情参照官网

Module构造神经网络

以多层感知器为例：

import torch
from torch import nn
#定义一个MLP类
class MLP(nn.Module):
  # 声明带有模型参数的层，这里声明了两个全连接层
  def __init__(self, **kwargs):
    super(MLP, self).__init__(**kwargs) #调用MLP父类Block的构造函数来进行必要的初始化
    self.hidden = nn.Linear(784, 256)
    self.act = nn.ReLU()
    self.output = nn.Linear(256,10)
    
   # 定义模型的前向计算，即如何根据输入x计算返回所需要的模型输出
  def forward(self, x):
    o = self.act(self.hidden(x))
    return self.output(o)  
#实例化
X = torch.rand(2,784)
net = MLP()
net(X)

自己构造Layer

• 不含模型参数层

class MyLayer(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(MyLayer, self).__init__(**kwargs)
    def forward(self, x):
        return x - x.mean()

• 含模型参数层

class MyListDense(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyListDense, self).__init__()
        self.params = nn.ParameterList([nn.Parameter(torch.randn(4, 4)) for i in range(3)])
        self.params.append(nn.Parameter(torch.randn(4, 1)))

    def forward(self, x):
        for i in range(len(self.params)):
            x = torch.mm(x, self.params[i])
        return x


class MyDictDense(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyDictDense, self).__init__()
        self.params = nn.ParameterDict({
                'linear1': nn.Parameter(torch.randn(4, 4)),
                'linear2': nn.Parameter(torch.randn(4, 1))
        })
        self.params.update({'linear3': nn.Parameter(torch.randn(4, 2))}) # 新增

    def forward(self, x, choice='linear1'):
        return torch.mm(x, self.params[choice])

• 2维卷积层

def corr2d(X, K): 
    h, w = K.shape
    X, K = X.float(), K.float()
    Y = torch.zeros((X.shape[0] - h + 1, X.shape[1] - w + 1))
    for i in range(Y.shape[0]):
        for j in range(Y.shape[1]):
            Y[i, j] = (X[i: i + h, j: j + w] * K).sum()
    return Y

# 二维卷积层
class Conv2D(nn.Module):
    def __init__(self, kernel_size):
        super(Conv2D, self).__init__()
        #随机初始化
        self.weight = nn.Parameter(torch.randn(kernel_size))
        self.bias = nn.Parameter(torch.randn(1))

    def forward(self, x):
        return corr2d(x, self.weight) + self.bias

• 池化层

def pool2d(X, pool_size, mode='max'):
    p_h, p_w = pool_size
    Y = torch.zeros((X.shape[0] - p_h + 1, X.shape[1] - p_w + 1))
    for i in range(Y.shape[0]):
        for j in range(Y.shape[1]):
            if mode == 'max':
                Y[i, j] = X[i: i + p_h, j: j + p_w].max()
            elif mode == 'avg':
                Y[i, j] = X[i: i + p_h, j: j + p_w].mean()
    return Y

构造模型

• LeNet模型

class Net(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        # 输入图像channel：1；输出channel：6；5x5卷积核
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        # an affine operation: y = Wx + b
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        # 2x2 Max pooling
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
        # 如果是方阵,则可以只使用一个数字进行定义
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:]  # 除去批处理维度的其他所有维度
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features

• AlexNet

class AlexNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(AlexNet, self).__init__()
        self.conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1, 96, 11, 4), # in_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(3, 2), # kernel_size, stride
            # 减小卷积窗口，使用填充为2来使得输入与输出的高和宽一致，且增大输出通道数
            nn.Conv2d(96, 256, 5, 1, 2),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(3, 2),
            # 连续3个卷积层，且使用更小的卷积窗口。除了最后的卷积层外，进一步增大了输出通道数。
            # 前两个卷积层后不使用池化层来减小输入的高和宽
            nn.Conv2d(256, 384, 3, 1, 1),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(384, 384, 3, 1, 1),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(384, 256, 3, 1, 1),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(3, 2)
        )
         # 这里全连接层的输出个数比LeNet中的大数倍。使用丢弃层来缓解过拟合
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(256*5*5, 4096),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(0.5),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(0.5),
            # 输出层。由于这里使用Fashion-MNIST，所以用类别数为10，而非论文中的1000
            nn.Linear(4096, 10),
        )

    def forward(self, img):
        feature = self.conv(img)
        output = self.fc(feature.view(img.shape[0], -1))
        return output

模型初始化

不同结构应选用不同初始化方法，pytorch初始化函数在torch.nn.init中，具体方法详见官网。
遍历，对模型所有模块参数进行初始化：

def initialize_weights(self):
	for m in self.modules():
		# 判断是否属于Conv2d
		if isinstance(m, nn.Conv2d):
			torch.nn.init.xavier_normal_(m.weight.data)
			# 判断是否有偏置
			if m.bias is not None:
				torch.nn.init.constant_(m.bias.data,0.3)
		elif isinstance(m, nn.Linear):
			torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0.1)
			if m.bias is not None:
				torch.nn.init.zeros_(m.bias.data)
		elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
			m.weight.data.fill_(1) 		 
			m.bias.data.zeros_()	

常用损失函数

名称	函数	公式	应用
二分类交叉熵损失函数	torch.nn.BCELoss(weight=None, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\ell (x,y)=\{\begin{array}{ll}mean(L)& \text{reduction=’mean’}\\ sum(L)& \text{reduction=’sum’}\end{array}$$	计算二分类任务的交叉熵
交叉熵损失函数	torch.nn.CrossEntropyLoss(weight=None, size_average=None, ignore_index=-100, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\mathrm{loss}(x,\text{ class })=-\log \left(\frac{\exp (x[\text{ class }])}{{\sum }_j\exp (x[j])}\right)=-x[\text{ class }]+\log \left(\sum _j\exp (x[j])\right)$$	多分类
L1损失函数	torch.nn.L1Loss(size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$L_n=abs(x_n-y_n)$$	回归问题，返回误差绝对值
MSE损失函数	torch.nn.MSELoss(size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$l_n={\left(x_n-y_n\right)}^2$$	回归问题，返回误差平方
平滑L1损失函数	torch.nn.SmoothL1Loss(size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’, beta=1.0)	$$\mathrm{loss}(x,y)=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{z}_i$$ $$z_i=\{\begin{array}{ll}0.5{\left(x_i-y_i\right)}^2& \text{abs(xi-yi)<1}\\ abs(x_i-y_i)-0.5& \text{else}\end{array}$$	L1的平滑输出，可减轻离群点带来的影响
目标泊松分布的负对数似然损失	torch.nn.PoissonNLLLoss(log_input=True, full=False, size_average=None, eps=1e-08, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\mathrm{loss}(x,y)=\{\begin{array}{ll}{e}^{x_n}-x_n{y}_n& \text{log\_input=True}\\ x_n-y_n\cdot \log \left(x_n+\text{ eps }\right)& \text{log\_input=False}\end{array}$$	泊松分布的负对数似然损失函数
KL散度	torch.nn.KLDivLoss(size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’, log_target=False)	$$D_{\mathrm{K}\mathrm{L}}(P,Q)=\sum _{i=1}^{n}P\left(x_i\right)\left(\log P\left(x_i\right)-\log Q\left(x_i\right)\right)$$	用于连续分布的距离度量，并且对离散采用的连续输出空间分布进行回归通常很有用
MarginRankingLoss	torch.nn.MarginRankingLoss(margin=0.0, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\mathrm{loss}(x1,x2,y)=\max (0,-y\ast (x1-x2)+\mathrm{margin})$$	用于排序任务
多标签边界损失函数	torch.nn.MultiLabelMarginLoss(size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\mathrm{loss}(x,y)=\sum _{ij}\frac{\max (0,1-x[y[j]]-x[i])}{x\cdot \mathrm{size}(0)}$$	多标签分类
二分类损失函数	torch.nn.SoftMarginLoss(size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\mathrm{loss}(x,y)=\sum _i\frac{\log (1+\exp (-y[i]\cdot x[i]))}{x\cdot \mathrm{nelement}()}$$	二分类逻辑损失函数
多分类折页损失	torch.nn.MultiMarginLoss(p=1, margin=1.0, weight=None, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$\mathrm{loss}(x,y)=\frac{{\sum }_i\max (0,\mathrm{margin}-x[y]+x[i]{)}^p}{x\cdot \mathrm{size}(0)}$$	多分类问题
三元组损失	torch.nn.TripletMarginLoss(margin=1.0, p=2.0, eps=1e-06, swap=False, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$$L(a,p,n)=\max \left\{d\left(a_i,p_i\right)-d\left(a_i,n_i\right)+\mathrm{margin},0\right\}$$	三元组相似性
HingeEmbeddingLoss	torch.nn.HingeEmbeddingLoss(margin=1.0, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$${\ell }_n=\{\begin{array}{ll}{x}_n& \text{yn=1}\\ \max \left\{0,\Delta -x_n\right\}& \text{yn=-1}\end{array}$$x为两个输入之差的绝对值	判断两个输入之间的相似性
余弦相似度	torch.nn.CosineEmbeddingLoss(margin=0.0, size_average=None, reduce=None, reduction=‘mean’)	$${\ell }_n=\{\begin{array}{ll}1-\cos \left(x_1,x_2\right)& \text{yn=1}\\ \max \left\{0,\cos \left(x_1,x_2\right)-\text{ margin }\right\}& \text{yn=-1}\end{array}$$	两个向量做余弦相似度
CTC损失函数	torch.nn.CTCLoss(blank=0, reduction=‘mean’, zero_infinity=False)	/	时序分类问题

模型训练、验证与测试

在模型训练过程中反向传播可进行参数修改；而验证/测试过程，参数不变。

训练过程

• 流程：

  • 声明训练过程
  • 读取数据（可分批放至GPU进行）
  • 将优化器的梯度置零
  • 训练
  • 计算损失函数
  • 将loss反向传播回网络
  • 使用优化器更新模型参数

• 代码：

def train(epoch):
    model.train()
    train_loss = 0
    for data, label in train_loader:
        data, label = data.cuda(), label.cuda() #放至GPU
        optimizer.zero_grad() #将优化器的梯度置零
        output = model(data) #将data送入模型中训练
        loss = criterion(label, output) #计算损失函数
        loss.backward() #将loss反向传播回网络
        optimizer.step() #使用优化器更新模型参数
        train_loss += loss.item()*data.size(0)
    train_loss = train_loss/len(train_loader.dataset)
		print('Epoch: {} \tTraining Loss: {:.6f}'.format(epoch, train_loss))

验证/测试过程

• 流程：

  • 声明验证过程
  • 读取数据（可分批放至GPU进行）
  • 训练
  • 计算损失函数

• 代码：

def val(epoch):       
    model.eval()
    val_loss = 0
    with torch.no_grad():
        for data, label in val_loader:
            data, label = data.cuda(), label.cuda()
            output = model(data)
            preds = torch.argmax(output, 1)
            loss = criterion(output, label)
            val_loss += loss.item()*data.size(0)
            running_accu += torch.sum(preds == label.data)
    val_loss = val_loss/len(val_loader.dataset)
    print('Epoch: {} \tTraining Loss: {:.6f}'.format(epoch, val_loss))

优化器

• pytorch库：torch.optim

优化器	说明
LBFGS	拟牛顿法
SGD	随机梯度下降
ASGD	平均随机梯度下降
Adagrad	自适应学习率，增加二阶动量
Adadelta	Adagrad的扩展，不用依赖于全局学习率
Rprop	弹性反向传播
RMSprop	Adadelta特例，对于RNN效果很好
Adam	一阶动量+二阶动量
Adamax	学习率的边界范围比Adam简单
NAdam	带有Nesterov动量项的Adam
SparseAdam	针对稀疏张量的Adam
RAdam	提供自动化的方差衰减，消除了在训练期间warmup所涉及手动调优的需要
AdamW	Adam+L2正则

• 应用

from torch import optim
from torchvision.models import resnet18
#模型
net = resnet18()
#不同层用优化器参数
optimizer = optim.SGD([{'params':net.fc.parameters()},
    {'params':net.layer4[0].conv1.parameters(),'lr':1e-2}], 
    lr=1e-5)
for epoch in range(EPOCH):
	...
	optimizer.zero_grad()  #梯度置零
	loss = ...             #计算loss
	loss.backward()        #BP反向传播
	optimizer.step()       #梯度更新

实例：FashionMNIST时装分类

基本库准备

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

device = torch.device("cuda:1" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

batch_size = 256
num_workers = 4   
lr = 1e-4
epochs = 20

数据加载

定义数据格式转化

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()
])

数据读入

• 方法一：远程数据集下载

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)

• 方法二：csv本地数据加载

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

数据加载

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)

数据验证

import matplotlib.pyplot as plt

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

CNN模型构建

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()

模型训练

定义损失函数

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

定义优化器

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

训练与验证

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)

保存模型

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

参考

1. datawhale：深入浅出pytorch
2. pytorch官网