图像识别pytorch入门1

1、基本数据：Tensor

Tensor，即张量，是PyTorch中的基本操作对象，可以看做是包含单一数据类型元素的多维矩阵。从使用角度来看，Tensor与NumPy的ndarrays非常类似，相互之间也可以自由转换，只不过Tensor还支持GPU的加速。

1.1、Tensor数据类型

Tensor共有7种CPU Tensor 类型和8种GPU Tensor类型，pytorch默认的数据类型是torch.FloatTensor, 即torch.Tensor等同于torch.FloatTensor。Tensor数据类型如下：

PyTorch可以通过set_default_tensor_type函数设置默认使用的Tensor类型。

torch.set_default_tensor_type('torch.DoubleTensor')

上述代码将默认的32位浮点数据类型改为了64位浮点。

1.2、Tensor之间的类型转换

可以通过type(new_type)、type_as()、int()等多种方式进行操作，尤其是type_as()函数，我们想保持Tensor之间的类型一致，只需要使用type_as()即可，并不需要明确具体是哪种类型。举例如下：

# 创建新Tensor，默认类型为torch.FloatTensor
import torch
a = torch.Tensor(2,2)
a
'''
输出：tensor([[0.0000e+00, 0.0000e+00],
        [1.2784e+32, 4.5916e-41]])
‘’‘

# 使用int()、float()、double()等直接进行数据类型转换
b = a.double()
c = a.int()
b
c
'''
输出b：tensor([[0.0000e+00, 0.0000e+00],
        [1.2784e+32, 4.5916e-41]], dtype=torch.float64)
        
输出c：tensor([[          0,           0],
        [-2147483648,           0]], dtype=torch.int32)  
'''

# 使用type()函数
c = a.type(torch.DoubleTensor)
c
'''
tensor([[0.0000e+00, 0.0000e+00],
        [1.2784e+32, 4.5916e-41]], dtype=torch.float64)
'''
# 使用type_as()函数
d = a.type_as(c)
d
'''
tensor([[0.0000e+00, 0.0000e+00],
        [1.2784e+32, 4.5916e-41]], dtype=torch.float64)
'''

**小结：**Tensor共有7种CPU Tensor 类型和8种GPU Tensor类型，具体类型可以在1.1种的表中查到，这些数据类型可以通过int()、float()、double()、type()、type_as()等进行相互转化。

1.3、Tensor的创建与维度查看

Tensor有多种创建方法，下图列举了常见的Tensor创建方法：

下面用代码演示一遍：

# 最基础的Tensor()函数创建方法，参数为Tensor的每一维大小
a = torch.Tensor(2,2)
a
‘’‘
tensor([[0.0000e+00, 0.0000e+00],
        [1.2784e+32, 4.5916e-41]])
’‘’

b = torch.DoubleTensor(2,2)
b
‘’‘
tensor([[0.0000e+00, 0.0000e+00],
        [6.1156e-96, 6.8212e-43]], dtype=torch.float64)
’‘’

# 使用Python的list序列进行创建
c = torch.Tensor([[1, 2], [3, 4]])
c
‘’‘
tensor([[1., 2.],
        [3., 4.]])
’‘’

# 使用zeros()函数，所有元素均为0
d = torch.zeros(2, 2)
d
‘’‘
tensor([[0., 0.],
        [0., 0.]])
’‘’

# 使用ones()函数，所有元素均为1
e = torch.ones(2, 2)
e
‘’‘
tensor([[1., 1.],
        [1., 1.]])
’‘’

# 使用eye()函数，对角线元素为1，不要求行列数相同，生成二维矩阵
f = torch.eye(2, 2)
f
‘’‘
tensor([[1., 0.],
        [0., 1.]])
’‘’

# 使用randn()函数，生成随机数矩阵
g = torch.randn(2, 2)
g
‘’‘
tensor([[ 0.6822, -0.6350],
        [ 0.1792,  0.6035]])
’‘’

# 使用arange(start, end, step)函数，表示从start到end，间距为step，一维向量
h = torch.arange(1, 6, 2)
h
‘’‘
tensor([1, 3, 5])
’‘’

# 使用linspace(start, end, steps)函数，表示从start到end，一共steps份，一维向量
i = torch.linspace(1,10,3)
i
‘’‘
tensor([ 1.0000,  5.5000, 10.0000])
’‘’

# 使用randperm(num)函数，生成长度为num的随机排列向量
j = torch.randperm(4)
j
‘’‘
tensor([2, 1, 0, 3])
’‘’

查看Tensor种元素总个数

拓展：查看Tensor中的元素总个数，可使用Tensor.numel() 或者 Tensor.nelement()函数，两者等价。

a = torch.Tensor(2,2)
a.numel()
4
a.nelement()
4

1.4 Tensor的索引与变形

1.4.1 索引

索引操作与NumPy非常类似，主要包含下标索引、表达式索引、使用torch.where()与Tensor.clamp()的选择性索引。示例代码如下：

a = torch.Tensor([[0,1],[2,3]])
a
'''
tensor([[0., 1.],
        [2., 3.]])
'''
# 根据下标进行索引,当中括号只有一个数字时，代表行。
a[1]
'''
tensor([2., 3.])
'''
# 当有两个数字时，第一个数字代表行，第二个数字代表列。
a[0,1]
'''
tensor(1.)
'''
# 选择a中大于0的元素，返回和a相同大小的Tensor，符合条件的True，否则为False。
a > 0
'''
tensor([[False,  True],
        [ True,  True]])
'''
# 选择符合条件的元素并返回，等价于torch.masked_select(a, a>0)
a[a>0]
'''
tensor([1., 2., 3.])
'''
# 选择非0元素的坐标，并返回
'''
tensor([[0, 1],
        [1, 0],
        [1, 1]])
'''
# torch.where(condition, x, y)，满足condition的位置输出x位置对应的值，否则输出y位置对应的值。
# torch.full_like(a,1)的意思是在a矩阵所有的位置的元素用1填充。
torch.where(a>1, torch.full_like(a, 1), a)
'''
tensor([[0., 1.],
        [1., 1.]])
'''
x = torch.randn(3,2)
x
'''
tensor([[ 0.2730, -0.7299],
        [ 1.8523,  0.4764],
        [-0.9825, -0.9630]])
'''
# x 和 y的大小相同
y = torch.ones(3,2)
y
'''
tensor([[1., 1.],
        [1., 1.],
        [1., 1.]])
'''
E = torch.where(x>0,x,y)
E 
'''
tensor([[0.2730, 1.0000],
        [1.8523, 0.4764],
        [1.0000, 1.0000]])
'''  
# 对Tensor元素进行限制可以使用clamp()函数，示例如下，限制最小值为1，最大值为2
b = a.clamp(1,2)
b
'''
tensor([[1., 1.],
        [2., 2.]])
'''

1.4.2 变形

变形操作则是指改变Tensor的维度，以适应在深度学习的计算中，数据维度经常变换的需求。在pytorch中主要有4类不同的变形方法，如下表所示：

操作一：view()、resize()、reshape()函数

view()、resize()和reshape()函数可以在不改变Tensor数据的前提下任意改变Tensor的形状，必须保证调整前后的元素总数相同，并且调整前后共享内存，三者的作用基本相同。具体操作请看下面截图：

如果想要直接改变Tensor的尺寸，可以使用resize_()的原地操作函数。在resize_()函数中，如果超过了原Tensor的大小则重新分配内存，多出部分置0，如果小于原Tensor大小则剩余的部分仍然会隐藏保留。（注意：多出部分置为0意思是相对于最开始的tensor。）

操作二：transpose()和permute()函数

transpose()函数可以将指定的两个维度的元素进行转置，而permute()函数则可以按照给定的维度进行维度变换。在没有Batch这一维度时，pytorch默认的维度是[C,H,W]，可以通过size()函数查看维度的变化。
先看transpose()函数：

先看permute()函数：

a.permute(1,0,2)d的意思是将第一个维度与第二个维度变换一下位置。即shape由(3,2,2)变为(2,3,3)。

操作三：squeeze()和unsqueeze()函数

在实际的应用中，经常需要增加或减少Tensor的维度，尤其是维度为1的情况，这时候可以使用squeeze()与unsqueeze()函数，前者用于去除size为1的维度，而后者则是将指定的维度的size变为1。

操作四：expand()和expand_as()函数

有时需要采用复制元素的形式来扩展Tensor的维度，这时expand就派上用场了。expand()函数将size为1的维度复制扩展为指定大小，也可以使用expand_as()函数指定为示例Tensor的维度。

注意：在进行Tensor操作时，有些操作如transpose()、permute()等可能会把Tensor在内存中变得不连续，而有些操作如view()等是需要Tensor内存连续的，这种情况下需要使用contiguous()操作先将内存变为连续的。在PyTorch v0.4版本中增加了reshape()操作，可以看做是Tensor.contiguous().view()。

1.4.3 Tensor的排序与取极值

比较重要的是排序函数sort()，选择沿着指定维度进行排序，返回排序后的Tensor及对应的索引位置。max()与min()函数则是沿着指定维度选择最大与最小元素，返回该元素及对应的索引位置。

由上可知，第0维度就是按照行排序，对每一列上的数进行升序或者降序排列；而第1维度是按列排序，对每一行上的数进行排序，另外，a.sort(0,True)[1] 可以返回每一列的index变化。
对于Tensor的单元素数学运算，如abs()、sqrt()、log()、pow()和三角函数等，都是逐元素操作（element-wise），输出的Tensor形状与原始Tensor形状一致。

1.4.4 Tensor的自动广播机制与向量化

PyTorch在0.2版本以后，推出了自动广播语义，即不同形状的Tensor进行计算时，可自动扩展到较大的相同形状，再进行计算。广播机制的前提是任一个Tensor至少有一个维度，且从尾部遍历Tensor维度时，两者维度必须相等，其中一个要么是1要么不存在。

向量化操作是指可以在同一时间进行批量地并行计算，例如矩阵运算，以达到更好的计算效率的一种方式。在实际使用时，应尽量使用向量化直接对Tensor操作，避免低效率的for循环对元素逐个操作，尤其是在训练网络模型时，如果有大量的for循环，会极大地影响训练的速度。

1.4.5 Tensor的内存共享

为了实现高效计算，PyTorch提供了一些原地操作运算，即in-placeoperation，不经过复制，直接在原来的内存上进行计算。对于内存的共享，主要有如下3种情况：

下面展开来分析：

1、通过Tensor初始化Tensor
直接通过Tensor来初始化另一个Tensor，或者通过Tensor的组合、分块、索引、变形操作来初始化另一个Tensor，则这两个Tensor共享内存。

2、原地操作符

PyTorch对于一些操作通过加后缀“”实现了原地操作，如add()和resize_()等，这种操作只要被执行，本身的Tensor则会被改变。

3、Tensor与Numpy转换

Tensor与NumPy可以高效地进行转换，并且转换前后的变量共享内存。在进行PyTorch不支持的操作时，甚至可以曲线救国，将Tensor转换为NumPy类型，操作后再转为Tensor。

2、 Autograd与计算图

基本数据Tensor可以保证完成前向传播，想要完成神经网络的训练，接下来还需要进行反向传播与梯度更新，而PyTorch提供了自动求导机制autograd，将前向传播的计算记录成计算图，自动完成求导。

2.1、 Tensor的自动求导

2.1.1、requires_grad参数

自动求导机制记录了Tensor的操作，以便自动求导与反向传播。可以通过requires_grad参数来创建支持自动求导机制的Tensor。

require_grad参数表示是否需要对该Tensor进行求导，默认为False；设置为True则需要求导，并且依赖于该Tensor的之后的所有节点都需要求导。

由上图可以看出，requires_grad_()函数会改变Tensor的requires_grad属性并返回Tensor，修改requires_grad的操作是原位操作(in place)。其默认参数为requires_grad=True。

requires_grad=True时，自动求导会记录对Tensor的操作，requires_grad_()的主要用途是告诉自动求导开始记录对Tensor的操作。

2.1.2、Tensor的两个重要属性 (.grad和.grad_fn)

.grad：该Tensor对应的梯度，类型为Tensor，并与Tensor同维度。

·grad_fn：指向function对象，即该Tensor经过了什么样的操作，用作反向传播的梯度计算，如果该Tensor由用户自己创建，则该grad_fn为None。

a = torch.randn(2,2,requires_grad = True)
b = torch.randn(2,2,requires_grad = True)
c = a + b
c.requires_grad
'''
Truie
'''
# a与b是自己创建的，grad_fn为None，而c的grad_fn则是一个Add函数操作
a.grad_fn, b.grad_fn, c.grad_fn
'''
(None, None, )
'''
d = c.detach()
d.requires_grad
'''
False
'''

Tensor.detach()函数生成的数据默认requires_grad为False。detach()就是截断反向传播的梯度流。detach()函数会返回一个新的Tensor对象b，并且新Tensor是与当前的计算图分离的，其requires_grad属性为False，反向传播时不会计算其梯度。b与a共享数据的存储空间，二者指向同一块内存。

注意：共享内存空间只是共享的数据部分，a.grad与b.grad是不同的。

2.1.3、计算图

计算图是PyTorch对于神经网络的具体实现形式，包括每一个数据Tensor及Tensor之间的函数function。在此我们以z=wx+b为例，通常在神经网络中，x为输入，w与b为网络需要学习的参数，z为输出，在这一层，计算图构建方法如下图所示。

在上图中，x、ω和b都是用户自己创建的，因此都为叶节点，ωx首先经过乘法算子产生中间节点y，然后与b经过加法算法产生最终输出z，并作为根节点。

Autograd的基本原理是随着每一步Tensor的计算操作，逐渐生成计算图，并将操作的function记录在Tensor的grad_fn中。在前向计算完后，只需对根节点进行backward函数操作，即可从当前根节点自动进行反向传播与梯度计算，从而得到每一个叶子节点的梯度，梯度计算遵循链式求导法则。下面看示例：

import torch
x = torch.tensor([[1.,2.],[3.,4.]])
w = torch.tensor(2.,requires_grad = True)
b = torch.tensor(3.,requires_grad = True)

# 自己生成的，因此都为叶子节点
x.is_leaf, w.is_leaf, b.is_leaf
‘’‘
(True, True, True)
’‘’

# 默认是不需要求导，关键字赋值为True后则需要求导
x.requires_grad, w.requires_grad, b.requires_grad
‘’‘
(False, True, True)
’‘’

# 进行前向计算
y = w*x
z = y + b
l = z.mean()
y.is_leaf, z.is_leaf
‘’‘
(False, False)
’‘’

# grad_fn记录生成该变量经过了什么操作，如y是Mul，z是Add
y.grad_fn, z.grad_fn
‘’‘
(<MulBackward0 at 0x1e32ffe35f8>, <AddBackward0 at 0x1e32ffe3358>)
’‘’

l.backward(retain_graph=True)
w.grad,b.grad
‘’‘
(tensor(2.5000), tensor(1.))
’‘’

下图是上述代码的计算图：

注意：求的导数是偏导，比如对w求梯度时，就把其他参数当成已知量，仅仅把w当作变量，这是大学本科高等数学的知识，忘记的可以去补一下，这里给出w和b的偏导公式：

对于l.backward(retain_graph=True)，retain_graph = True的意思是计算图中的中间变量在计算完后就会被释放。但是在平时的使用中这个参数默认都为False从而提高效率，和creat_graph的值一样。这个不常用。如果为False时，第一次backward之后的梯度会被保存下来，第二次在backward会在原有梯度的基础上累加，这是不被看好的，因此需要对梯度清0，这就用到了with torch.no_grad()。

2.2、 Autograd注意事项

PyTorch的Autograd机制使得其可以灵活地进行前向传播与梯度计算，在实际使用时，需要注意以下3点，如下图所示：

动态图特性： PyTorch建立的计算图是动态的，这也是PyTorch的一大特点。动态图是指程序运行时，每次前向传播时从头开始构建计算图，这样不同的前向传播就可以有不同的计算图，也可以在前向时插入各种Python的控制语句，不需要事先把所有的图都构建出来，并且可以很方便地查看中间过程变量。

backward()函数还有一个需要传入的参数grad_variabels，其代表了根节点的导数，也可以看做根节点各部分的权重系数。因为PyTorch不允许Tensor对Tensor求导，求导时都是标量对于Tensor进行求导，因此，如果根节点是向量，则应配以对应大小的权重，并求和得到标量，再反传。如果根节点的值是标量，则该参数可以省略，默认为1。

当有多个输出需要同时进行梯度反传时，需要将retain_graph设置为True，从而保证在计算多个输出的梯度时互不影响。