实验六 卷积神经网络（3）LeNet实现MNIST

卷积神经网络

5.3 基于LeNet实现手写体数字识别实验

在本节中，我们实现经典卷积网络LeNet-5，并进行手写体数字识别任务。

5.3.1 数据

手写体数字识别是计算机视觉中最常用的图像分类任务，让计算机识别出给定图片中的手写体数字（0-9共10个数字）。由于手写体风格差异很大，因此手写体数字识别是具有一定难度的任务。

我们采用常用的手写数字识别数据集：MNIST数据集。MNIST数据集是计算机视觉领域的经典入门数据集，包含了60,000个训练样本和10,000个测试样本。这些数字已经过尺寸标准化并位于图像中心，图像是固定大小($28\times 28$像素)。图5.12给出了部分样本的示例。

图5.12：MNIST数据集示例

为了节省训练时间，本节选取MNIST数据集的一个子集进行后续实验，数据集的划分为：

• 训练集：1,000条样本
• 验证集：200条样本
• 测试集：200条样本

MNIST数据集分为train_set、dev_set和test_set三个数据集，每个数据集含两个列表分别存放了图片数据以及标签数据。比如train_set包含：

• 图片数据：[1 000, 784]的二维列表，包含1 000张图片。每张图片用一个长度为784的向量表示，内容是 $28\times 28$ 尺寸的像素灰度值（黑白图片）。
• 标签数据：[1 000, 1]的列表，表示这些图片对应的分类标签，即0~9之间的数字。

观察数据集分布情况，代码实现如下：

import json
import gzip

# 打印并观察数据集分布情况
train_set, dev_set, test_set = json.load(gzip.open('./mnist.json.gz'))
train_images, train_labels = train_set[0][:1000], train_set[1][:1000]
dev_images, dev_labels = dev_set[0][:200], dev_set[1][:200]
test_images, test_labels = test_set[0][:200], test_set[1][:200]
train_set, dev_set, test_set = [train_images, train_labels], [dev_images, dev_labels], [test_images, test_labels]
print('Length of train/dev/test set:{}/{}/{}'.format(len(train_set[0]), len(dev_set[0]), len(test_set[0])))

运行结果：

Length of train/dev/test set:1000/200/200

可视化观察其中的一张样本以及对应的标签，代码如下所示：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import PIL
from PIL import Image
image, label = train_set[0][0], train_set[1][0]
image, label = np.array(image).astype('float32'), int(label)
# 原始图像数据为长度784的行向量，需要调整为[28,28]大小的图像
image = np.reshape(image, [28,28])
image = Image.fromarray(image.astype('uint8'), mode='L')
print("The number in the picture is {}".format(label))
plt.figure(figsize=(5, 5))
plt.imshow(image)
plt.savefig('conv-number5.pdf')

运行结果：

The number in the picture is 5

5.3.1.1 数据预处理

图像分类网络对输入图片的格式、大小有一定的要求，数据输入模型前，需要对数据进行预处理操作，使图片满足网络训练以及预测的需要。本实验主要应用了如下方法：

• 调整图片大小：LeNet网络对输入图片大小的要求为 $32\times 32$ ，而MNIST数据集中的原始图片大小却是 $28\times 28$ ，这里为了符合网络的结构设计，将其调整为$32\times 32$；
• 规范化： 通过规范化手段，把输入图像的分布改变成均值为0，标准差为1的标准正态分布，使得最优解的寻优过程明显会变得平缓，训练过程更容易收敛。

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在飞桨中，提供了部分视觉领域的高层API，可以直接调用API实现简单的图像处理操作。通过调用torchvision.transforms.Resize调整大小；调用torchvision.transforms.Normalize进行标准化处理；使用torchvision.transforms.Compose将两个预处理操作进行拼接。

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代码实现如下：

# 5.3.1.1
from torchvision.transforms import Compose, Resize, Normalize

# 数据预处理
transforms = Compose([Resize(32), Normalize(mean=[127.5], std=[127.5])])

将原始的数据集封装为Dataset类，以便DataLoader调用。

import random
from torch.utils.data import Dataset,DataLoader
import torchvision.transforms as transforms
 
class MNIST_dataset(Dataset):
    def __init__(self, dataset, transforms, mode='train'):
        self.mode = mode
        self.transforms =transforms
        self.dataset = dataset
 
    def __getitem__(self, idx):
        # 获取图像和标签
        image, label = self.dataset[0][idx], self.dataset[1][idx]
        image, label = np.array(image).astype('float32'), int(label)
        image = np.reshape(image, [28,28])
        image = Image.fromarray(image.astype('uint8'), mode='L')
        image = self.transforms(image)
 
        return image, label
 
    def __len__(self):
        return len(self.dataset[0])
 
random.seed(0)
# 加载 mnist 数据集
train_dataset = MNIST_dataset(dataset=train_set, transforms=transforms, mode='train')
test_dataset = MNIST_dataset(dataset=test_set, transforms=transforms, mode='test')
dev_dataset = MNIST_dataset(dataset=dev_set, transforms=transforms, mode='dev')

5.3.2 模型构建

LeNet-5虽然提出的时间比较早，但它是一个非常成功的神经网络模型。基于LeNet-5的手写数字识别系统在20世纪90年代被美国很多银行使用，用来识别支票上面的手写数字。LeNet-5的网络结构如图5.13所示。

图5.13：LeNet-5网络结构

我们使用上面定义的卷积层算子和汇聚层算子构建一个LeNet-5模型。

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这里的LeNet-5和原始版本有4点不同：

1. C3层没有使用连接表来减少卷积数量。
2. 汇聚层使用了简单的平均汇聚，没有引入权重和偏置参数以及非线性激活函数。
3. 卷积层的激活函数使用ReLU函数。
4. 最后的输出层为一个全连接线性层。

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网络共有7层，包含3个卷积层、2个汇聚层以及2个全连接层的简单卷积神经网络接，受输入图像大小为$32\times 32=1024$，输出对应10个类别的得分。
具体实现如下：

import torch.nn.functional as F
import torch.nn as nn
 
 
class Model_LeNet(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, num_classes=10):
        super(Model_LeNet, self).__init__()
        # 卷积层：输出通道数为6，卷积核大小为5×5
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=6, kernel_size=5)
        # 汇聚层：汇聚窗口为2×2，步长为2
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2)
        # 卷积层：输入通道数为6，输出通道数为16，卷积核大小为5×5，步长为1
        self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5, stride=1)
        # 汇聚层：汇聚窗口为2×2，步长为2
        self.pool4 = nn.AvgPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2)
        # 卷积层：输入通道数为16，输出通道数为120，卷积核大小为5×5
        self.conv5 = nn.Conv2d(in_channels=16, out_channels=120, kernel_size=5, stride=1)
        # 全连接层：输入神经元为120，输出神经元为84
        self.linear6 = nn.Linear(120, 84)
        # 全连接层：输入神经元为84，输出神经元为类别数
        self.linear7 = nn.Linear(84, num_classes)
 
    def forward(self, x):
        # C1：卷积层+激活函数
 
        output = F.relu(self.conv1(x))
        # S2：汇聚层
        output = self.pool2(output)
        # C3：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv3(output))
        # S4：汇聚层
        output = self.pool4(output)
        # C5：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv5(output))
        # 输入层将数据拉平[B,C,H,W] -> [B,CxHxW]
        output = torch.squeeze(output, dim=3)
        output = torch.squeeze(output, dim=2)
        # F6：全连接层
        output = F.relu(self.linear6(output))
        # F7：全连接层
        output = self.linear7(output)
        return output

下面测试一下上面的LeNet-5模型，构造一个形状为 [1,1,32,32]的输入数据送入网络，观察每一层特征图的形状变化。代码实现如下：

# 这里用np.random创建一个随机数组作为输入数据
inputs = np.random.randn(*[1, 1, 32, 32])
inputs = inputs.astype('float32')
# 创建Model_LeNet类的实例，指定模型名称和分类的类别数目
model = Model_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
print(model)
# 通过调用LeNet从基类继承的sublayers()函数，查看LeNet中所包含的子层
print(model.named_parameters())
x = torch.tensor(inputs)
print(x)
for item in model.children():
    # item是LeNet类中的一个子层
    # 查看经过子层之后的输出数据形状
    item_shapex = 0
    names = []
    parameter = []
    for name in item.named_parameters():
        names.append(name[0])
        parameter.append(name[1])
        item_shapex += 1
    try:
        x = item(x)
    except:
        # 如果是最后一个卷积层输出，需要展平后才可以送入全连接层
        x = x.reshape([x.shape[0], -1])
        x = item(x)
 
    if item_shapex == 2:
        # 查看卷积和全连接层的数据和参数的形状，
        # 其中item.parameters()[0]是权重参数w，item.parameters()[1]是偏置参数b
        print(item, x.shape, parameter[0].shape, parameter[1].shape)
    else:
        # 汇聚层没有参数
        print(item, x.shape)

运行结果：

Model_LeNet(
  (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (pool2): MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (conv3): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (pool4): AvgPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2, padding=0)
  (conv5): Conv2d(16, 120, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (linear6): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
  (linear7): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
)

tensor([[[[-0.3585, -0.5452,  1.3631,  ...,  1.2136, -0.1091,  2.4632],
          [-0.1857,  0.4949, -0.8363,  ..., -0.8915, -0.6937,  1.2373],
          [ 0.0445,  1.9412,  2.5286,  ..., -1.4750, -0.1582, -0.2900],
          ...,
          [-0.8129,  0.9677, -0.7584,  ..., -0.9465, -0.5650,  0.9721],
          [-1.0167, -1.6895,  0.6300,  ...,  2.8304, -0.5249,  0.1658],
          [ 0.1880, -1.6031, -1.4927,  ...,  1.9868,  0.4754,  0.1171]]]])
Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1)) torch.Size([1, 6, 28, 28]) torch.Size([6, 1, 5, 5]) torch.Size([6])
MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) torch.Size([1, 6, 14, 14])
Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1)) torch.Size([1, 16, 10, 10]) torch.Size([16, 6, 5, 5]) torch.Size([16])
AvgPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2, padding=0) torch.Size([1, 16, 5, 5])
Conv2d(16, 120, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1)) torch.Size([1, 120, 1, 1]) torch.Size([120, 16, 5, 5]) torch.Size([120])
Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True) torch.Size([1, 84]) torch.Size([84, 120]) torch.Size([84])
Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True) torch.Size([1, 10]) torch.Size([10, 84]) torch.Size([10])

从输出结果看，

• 对于大小为$32\times 32$的单通道图像，先用6个大小为$5\times 5$的卷积核对其进行卷积运算，输出为6个$28\times 28$大小的特征图；
• 6个$28\times 28$大小的特征图经过大小为$2\times 2$，步长为2的汇聚层后，输出特征图的大小变为$14\times 14$；
• 6个$14\times 14$大小的特征图再经过16个大小为$5\times 5$的卷积核对其进行卷积运算，得到16个$10\times 10$大小的输出特征图；
• 16个$10\times 10$大小的特征图经过大小为$2\times 2$，步长为2的汇聚层后，输出特征图的大小变为$5\times 5$；
• 16个$5\times 5$大小的特征图再经过120个大小为$5\times 5$的卷积核对其进行卷积运算，得到120个$1\times 1$大小的输出特征图；
• 此时，将特征图展平成1维，则有120个像素点，经过输入神经元个数为120，输出神经元个数为84的全连接层后，输出的长度变为84。
• 再经过一个全连接层的计算，最终得到了长度为类别数的输出结果。

考虑到自定义的Conv2D和Pool2D算子中包含多个for循环，所以运算速度比较慢。飞桨框架中，针对卷积层算子和汇聚层算子进行了速度上的优化，这里基于paddle.nn.Conv2D、paddle.nn.MaxPool2D和paddle.nn.AvgPool2D构建LeNet-5模型，对比与上边实现的模型的运算速度。代码实现如下：

class Torch_LeNet(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, num_classes=10):
        super(Torch_LeNet, self).__init__()
        # 卷积层：输出通道数为6，卷积核大小为5*5
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=6, kernel_size=5)
        # 汇聚层：汇聚窗口为2*2，步长为2
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 卷积层：输入通道数为6，输出通道数为16，卷积核大小为5*5
        self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5)
        # 汇聚层：汇聚窗口为2*2，步长为2
        self.pool4 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 卷积层：输入通道数为16，输出通道数为120，卷积核大小为5*5
        self.conv5 = nn.Conv2d(in_channels=16, out_channels=120, kernel_size=5)
        # 全连接层：输入神经元为120，输出神经元为84
        self.linear6 = nn.Linear(in_features=120, out_features=84)
        # 全连接层：输入神经元为84，输出神经元为类别数
        self.linear7 = nn.Linear(in_features=84, out_features=num_classes)
 
    def forward(self, x):
        # C1：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv1(x))
        # S2：汇聚层
        output = self.pool2(output)
        # C3：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv3(output))
        # S4：汇聚层
        output = self.pool4(output)
        # C5：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv5(output))
        # 输入层将数据拉平[B,C,H,W] -> [B,CxHxW]
        output = torch.squeeze(output, dim=3)
        output = torch.squeeze(output, dim=2)
        # F6：全连接层
        output = F.relu(self.linear6(output))
        # F7：全连接层
        output = self.linear7(output)
        return output

测试两个网络的运算速度。

import time
 
# 这里用np.random创建一个随机数组作为测试数据
inputs = np.random.randn(*[1,1,32,32])
inputs = inputs.astype('float32')
x = torch.tensor(inputs)
 
# 创建Model_LeNet类的实例，指定模型名称和分类的类别数目
model = Model_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
# 创建Torch_LeNet类的实例，指定模型名称和分类的类别数目
torch_model = Torch_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
 
# 计算Model_LeNet类的运算速度
model_time = 0
for i in range(60):
    strat_time = time.time()
    out = model(x)
    end_time = time.time()
    # 预热10次运算，不计入最终速度统计
    if i < 10:
        continue
    model_time += (end_time - strat_time)
avg_model_time = model_time / 50
print('Model_LeNet speed:', avg_model_time, 's')
# 计算Torch_LeNet类的运算速度
torch_model_time = 0
for i in range(60):
    strat_time = time.time()
    torch_out = torch_model(x)
    end_time = time.time()
    # 预热10次运算，不计入最终速度统计
    if i < 10:
        continue
    torch_model_time += (end_time - strat_time)
avg_torch_model_time = torch_model_time / 50
 
print('Torch_LeNet speed:', avg_torch_model_time, 's')

运行结果：

Model_LeNet speed: 0.0004978704452514648 s
Torch_LeNet speed: 0.000518350601196289 s

这里还可以令两个网络加载同样的权重，测试一下两个网络的输出结果是否一致。

# 这里用np.random创建一个随机数组作为测试数据
inputs = np.random.randn(*[1,1,32,32])
inputs = inputs.astype('float32')
x = torch.tensor(inputs)
 
# 创建Model_LeNet类的实例，指定模型名称和分类的类别数目
model = Model_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
# 获取网络的权重
params = model.state_dict()
# 自定义Conv2D算子的bias参数形状为[out_channels, 1]
# torch API中Conv2D算子的bias参数形状为[out_channels]
# 需要进行调整后才可以赋值
for key in params:
    if 'bias' in key:
        params[key] = params[key].squeeze()
# 创建Torch_LeNet类的实例，指定模型名称和分类的类别数目
torch_model = Torch_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
# 将Model_LeNet的权重参数赋予给Torch_LeNet模型，保持两者一致
torch_model.load_state_dict(params)
 
# 打印结果保留小数点后6位
torch.set_printoptions(6)
# 计算Model_LeNet的结果
output = model(x)
print('Model_LeNet output: ', output)
# 计算Torch_LeNet的结果
torch_output = torch_model(x)
print('Torch_LeNet output: ', torch_output)
 

运行结果：

Model_LeNet output:  tensor([[ 0.026521,  0.122189, -0.049708, -0.073667, -0.013976, -0.019401,
          0.041322, -0.131140, -0.007805, -0.044831]],
       grad_fn=)
Torch_LeNet output:  tensor([[ 0.026521,  0.122189, -0.049708, -0.073667, -0.013976, -0.019401,
          0.041322, -0.131140, -0.007805, -0.044831]],
       grad_fn=)

可以看到，输出结果是一致的。

这里还可以统计一下LeNet-5模型的参数量和计算量。

参数量

按照公式(5.18)进行计算，可以得到：

• 第一个卷积层的参数量为：$6\times 1\times 5\times 5+6=156$；
• 第二个卷积层的参数量为：$16\times 6\times 5\times 5+16=2416$；
• 第三个卷积层的参数量为：$120\times 16\times 5\times 5+120=48120$；
• 第一个全连接层的参数量为：$120\times 84+84=10164$；
• 第二个全连接层的参数量为：$84\times 10+10=850$；

所以，LeNet-5总的参数量为$61706$。
在飞桨中，还可以使用paddle.summaryAPI自动计算参数量。

from torchsummary import summary
model = Torch_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
params_info = summary(model, (1, 32, 32))
print(params_info)

运行结果：

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 6, 28, 28]             156
         MaxPool2d-2            [-1, 6, 14, 14]               0
            Conv2d-3           [-1, 16, 10, 10]           2,416
         AvgPool2d-4             [-1, 16, 5, 5]               0
            Conv2d-5            [-1, 120, 1, 1]          48,120
            Linear-6                   [-1, 84]          10,164
            Linear-7                   [-1, 10]             850
================================================================
Total params: 61,706
Trainable params: 61,706
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.00
Forward/backward pass size (MB): 0.06
Params size (MB): 0.24
Estimated Total Size (MB): 0.30
----------------------------------------------------------------
None

可以看到，结果与公式推导一致。

计算量

按照公式(5.19)进行计算，可以得到：

• 第一个卷积层的计算量为：$28\times 28\times 5\times 5\times 6\times 1+28\times 28\times 6=122304$；
• 第二个卷积层的计算量为：$10\times 10\times 5\times 5\times 16\times 6+10\times 10\times 16=241600$；
• 第三个卷积层的计算量为：$1\times 1\times 5\times 5\times 120\times 16+1\times 1\times 120=48120$；
• 平均汇聚层的计算量为：$16\times 5\times 5=400$
• 第一个全连接层的计算量为：$120\times 84=10080$；
• 第二个全连接层的计算量为：$84\times 10=840$；

所以，LeNet-5总的计算量为$423344$。

在飞桨中，还可以使用paddle.flopsAPI自动统计计算量。

可以看到，结果与公式推导一致。

5.3.3 模型训练

使用交叉熵损失函数，并用随机梯度下降法作为优化器来训练LeNet-5网络。
用RunnerV3在训练集上训练5个epoch，并保存准确率最高的模型作为最佳模型。

# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2022-10-28 17:36
# @Author : Mr.Liu
# @Email : [email protected]
# @File : 5.3.1.py
# @ProjectName: python
# 学习率大小
import  torch
from torch import nn as nn
import torch.nn.functional as F
import numpy as np
from PIL import Image
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore", category=UserWarning)

class RunnerV3(object):
    def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric, **kwargs):
        self.model = model
        self.optimizer = optimizer
        self.loss_fn = loss_fn
        self.metric = metric  # 只用于计算评价指标

        # 记录训练过程中的评价指标变化情况
        self.dev_scores = []

        # 记录训练过程中的损失函数变化情况
        self.train_epoch_losses = []  # 一个epoch记录一次loss
        self.train_step_losses = []  # 一个step记录一次loss
        self.dev_losses = []

        # 记录全局最优指标
        self.best_score = 0

    def train(self, train_loader, dev_loader=None, **kwargs):
        # 将模型切换为训练模式
        self.model.train()

        # 传入训练轮数，如果没有传入值则默认为0
        num_epochs = kwargs.get("num_epochs", 0)
        # 传入log打印频率，如果没有传入值则默认为100
        log_steps = kwargs.get("log_steps", 100)
        # 评价频率
        eval_steps = kwargs.get("eval_steps", 0)

        # 传入模型保存路径，如果没有传入值则默认为"best_model.pdparams"
        save_path = kwargs.get("save_path", "best_model.pdparams")

        custom_print_log = kwargs.get("custom_print_log", None)

        # 训练总的步数
        num_training_steps = num_epochs * len(train_loader)

        if eval_steps:
            if self.metric is None:
                raise RuntimeError('Error: Metric can not be None!')
            if dev_loader is None:
                raise RuntimeError('Error: dev_loader can not be None!')

        # 运行的step数目
        global_step = 0

        # 进行num_epochs轮训练
        for epoch in range(num_epochs):
            # 用于统计训练集的损失
            total_loss = 0
            for step, data in enumerate(train_loader):
                X, y = data
                # 获取模型预测
                logits = self.model(X)
                y = torch.tensor(y, dtype=torch.int64)
                loss = self.loss_fn(logits, y)  # 默认求mean
                total_loss += loss

                # 训练过程中，每个step的loss进行保存
                self.train_step_losses.append((global_step, loss.item()))

                if log_steps and global_step % log_steps == 0:
                    print(
                        f"[Train] epoch: {epoch}/{num_epochs}, step: {global_step}/{num_training_steps}, loss: {loss.item():.5f}")

                # 梯度反向传播，计算每个参数的梯度值
                loss.backward()

                if custom_print_log:
                    custom_print_log(self)

                # 小批量梯度下降进行参数更新
                self.optimizer.step()
                # 梯度归零
                self.optimizer.zero_grad()

                # 判断是否需要评价
                if eval_steps > 0 and global_step > 0 and \
                        (global_step % eval_steps == 0 or global_step == (num_training_steps - 1)):

                    dev_score, dev_loss = self.evaluate(dev_loader, global_step=global_step)
                    print(f"[Evaluate]  dev score: {dev_score:.5f}, dev loss: {dev_loss:.5f}")

                    # 将模型切换为训练模式
                    self.model.train()

                    # 如果当前指标为最优指标，保存该模型
                    if dev_score > self.best_score:
                        self.save_model(save_path)
                        print(
                            f"[Evaluate] best accuracy performence has been updated: {self.best_score:.5f} --> {dev_score:.5f}")
                        self.best_score = dev_score

                global_step += 1

            # 当前epoch 训练loss累计值
            trn_loss = (total_loss / len(train_loader)).item()
            # epoch粒度的训练loss保存
            self.train_epoch_losses.append(trn_loss)

        print("[Train] Training done!")

    # 模型评估阶段，使用'paddle.no_grad()'控制不计算和存储梯度
    @torch.no_grad()
    def evaluate(self, dev_loader, **kwargs):
        assert self.metric is not None

        # 将模型设置为评估模式
        self.model.eval()

        global_step = kwargs.get("global_step", -1)

        # 用于统计训练集的损失
        total_loss = 0

        # 重置评价
        self.metric.reset()

        # 遍历验证集每个批次
        for batch_id, data in enumerate(dev_loader):
            X, y = data

            # 计算模型输出
            logits = self.model(X)
            y = torch.tensor(y, dtype=torch.int64)

            # 计算损失函数
            loss = self.loss_fn(logits, y).item()
            # 累积损失
            total_loss += loss

            # 累积评价
            self.metric.update(logits, y)

        dev_loss = (total_loss / len(dev_loader))
        dev_score = self.metric.accumulate()

        # 记录验证集loss
        if global_step != -1:
            self.dev_losses.append((global_step, dev_loss))
            self.dev_scores.append(dev_score)

        return dev_score, dev_loss

    # 模型评估阶段，使用'paddle.no_grad()'控制不计算和存储梯度
    @torch.no_grad()
    def predict(self, x, **kwargs):
        # 将模型设置为评估模式
        self.model.eval()
        # 运行模型前向计算，得到预测值
        logits = self.model(x)
        return logits

    def save_model(self, save_path):
        torch.save(self.model.state_dict(), save_path)

    def load_model(self, model_path):
        model_state_dict = torch.load(model_path)
        self.model.set_state_dict(model_state_dict)

class torch_LeNet(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, num_classes=10):
        super(torch_LeNet, self).__init__()
        # 卷积层：输出通道数为6，卷积核大小为5*5
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=6, kernel_size=5)
        # 汇聚层：汇聚窗口为2*2，步长为2
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 卷积层：输入通道数为6，输出通道数为16，卷积核大小为5*5
        self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5)
        # 汇聚层：汇聚窗口为2*2，步长为2
        self.pool4 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 卷积层：输入通道数为16，输出通道数为120，卷积核大小为5*5
        self.conv5 = nn.Conv2d(in_channels=16, out_channels=120, kernel_size=5)
        # 全连接层：输入神经元为120，输出神经元为84
        self.linear6 = nn.Linear(in_features=120, out_features=84)
        # 全连接层：输入神经元为84，输出神经元为类别数
        self.linear7 = nn.Linear(in_features=84, out_features=num_classes)

    def forward(self, x):
        # C1：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv1(x))
        # S2：汇聚层
        output = self.pool2(output)
        # C3：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv3(output))
        # S4：汇聚层
        output = self.pool4(output)
        # C5：卷积层+激活函数
        output = F.relu(self.conv5(output))
        # 输入层将数据拉平[B,C,H,W] -> [B,CxHxW]
        output = torch.squeeze(output)
        # F6：全连接层
        output = F.relu(self.linear6(output))
        # F7：全连接层
        output = self.linear7(output)
        return output
lr = 0.1
# 批次大小
batch_size = 64


class MNIST_dataset(torch.utils.data.Dataset):
    def __init__(self, dataset, transforms, mode='train'):
        self.mode = mode
        self.transforms =transforms
        self.dataset = dataset

    def __getitem__(self, idx):
        # 获取图像和标签
        image, label = self.dataset[0][idx], self.dataset[1][idx]
        image, label = np.array(image).astype('float32'), int(label)
        image = np.reshape(image, [28,28])
        image = Image.fromarray(image.astype('uint8'), mode='L')
        image = self.transforms(image)

        return image, label

    def __len__(self):
        return len(self.dataset[0])

from torchvision.transforms import Compose, Resize, Normalize,ToTensor
def accuracy(preds, labels):
    # 判断是二分类任务还是多分类任务，preds.shape[1]=1时为二分类任务，preds.shape[1]>1时为多分类任务
    if preds.shape[1] == 1:
        # 二分类时，判断每个概率值是否大于0.5，当大于0.5时，类别为1，否则类别为0
        # 使用'torch.tensor()'将preds的数据类型转换为float32类型
        preds = torch.as_tensor((preds >= 0.5),dtype=torch.float32)
    else:
        # 多分类时，使用'torch.argmax'计算最大元素索引作为类别
        preds = torch.argmax(preds, dim=1).int()
    return torch.mean(torch.as_tensor((preds == labels),dtype=torch.float32))


import torch


class Accuracy():
    def __init__(self, is_logist=True):
        """
        输入：
           - is_logist: outputs是logist还是激活后的值
        """

        # 用于统计正确的样本个数
        self.num_correct = 0
        # 用于统计样本的总数
        self.num_count = 0

        self.is_logist = is_logist

    def update(self, outputs, labels):
        """
        输入：
           - outputs: 预测值, shape=[N,class_num]
           - labels: 标签值, shape=[N,1]
        """

        # 判断是二分类任务还是多分类任务，shape[1]=1时为二分类任务，shape[1]>1时为多分类任务
        if outputs.shape[1] == 1:  # 二分类
            outputs = torch.squeeze(outputs, dim=-1)
            if self.is_logist:
                # logist判断是否大于0
                preds = torch.tensor((outputs >= 0), dtype=torch.float32)
            else:
                # 如果不是logist，判断每个概率值是否大于0.5，当大于0.5时，类别为1，否则类别为0
                preds = torch.tensor((outputs >= 0.5), dtype=torch.float32)
        else:
            # 多分类时，使用'paddle.argmax'计算最大元素索引作为类别
            preds = torch.argmax(outputs, dim=1)
            preds = torch.tensor(preds, dtype=torch.int64)

        # 获取本批数据中预测正确的样本个数
        labels = torch.squeeze(labels, dim=-1)
        batch_correct = torch.sum(torch.tensor(preds == labels, dtype=torch.float32)).numpy()
        batch_count = len(labels)

        # 更新num_correct 和 num_count
        self.num_correct += batch_correct
        self.num_count += batch_count

    def accumulate(self):
        # 使用累计的数据，计算总的指标
        if self.num_count == 0:
            return 0
        return self.num_correct / self.num_count

    def reset(self):
        # 重置正确的数目和总数
        self.num_correct = 0
        self.num_count = 0

    def name(self):
        return "Accuracy"
# 数据预处理

transforms = Compose([Resize(32),ToTensor(),  Normalize(mean=[127.5], std=[127.5])])
# 加载 mnist 数据集
train_dataset = MNIST_dataset(dataset=train_set, transforms=transforms, mode='train')
test_dataset = MNIST_dataset(dataset=test_set, transforms=transforms, mode='test')
dev_dataset = MNIST_dataset(dataset=dev_set, transforms=transforms, mode='dev')
# 加载数据
train_loader =	torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
dev_loader = 	torch.utils.data.DataLoader(dev_dataset, batch_size=batch_size)
test_loader = 	torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size)
# 定义LeNet网络
# 自定义算子实现的LeNet-5
# model = Model_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
# 飞桨API实现的LeNet-5
model = torch_LeNet(in_channels=1, num_classes=10)
# 定义优化器
optimizer = torch.optim.SGD(lr=lr, params=model.parameters())
# 定义损失函数
loss_fn = F.cross_entropy
# 定义评价指标
metric = Accuracy(is_logist=True)
# 实例化 RunnerV3 类，并传入训练配置。
runner = RunnerV3(model=model, optimizer=optimizer,loss_fn = loss_fn, metric=metric)
# 启动训练
log_steps = 15
eval_steps = 15
runner.train(train_loader, dev_loader, num_epochs=5, log_steps=log_steps,
                eval_steps=eval_steps, save_path="best_model.pdparams")

运行结果：

[Train] epoch: 0/5, step: 0/80, loss: 2.31964
[Train] epoch: 0/5, step: 15/80, loss: 1.96424
[Evaluate]  dev score: 0.31000, dev loss: 1.94272
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.00000 --> 0.31000
[Train] epoch: 1/5, step: 30/80, loss: 1.90126
[Evaluate]  dev score: 0.58500, dev loss: 1.58386
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.31000 --> 0.58500
[Train] epoch: 2/5, step: 45/80, loss: 0.92311
[Evaluate]  dev score: 0.63000, dev loss: 1.17126
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.58500 --> 0.63000
[Train] epoch: 3/5, step: 60/80, loss: 0.31175
[Evaluate]  dev score: 0.80000, dev loss: 0.40704
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.63000 --> 0.80000
[Train] epoch: 4/5, step: 75/80, loss: 0.36434
[Evaluate]  dev score: 0.83000, dev loss: 0.44397
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.80000 --> 0.83000
[Evaluate]  dev score: 0.85000, dev loss: 0.50347
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.83000 --> 0.85000
[Train] Training done!

可视化观察训练集与验证集的损失变化情况。

# 可视化误差
def plot(runner, fig_name):
    plt.figure(figsize=(10, 5))
 
    plt.subplot(1, 2, 1)
    train_items = runner.train_step_losses[::30]
    train_steps = [x[0] for x in train_items]
    train_losses = [x[1] for x in train_items]
 
    plt.plot(train_steps, train_losses, color='#8E004D', label="Train loss")
    if runner.dev_losses[0][0] != -1:
        dev_steps = [x[0] for x in runner.dev_losses]
        dev_losses = [x[1] for x in runner.dev_losses]
        plt.plot(dev_steps, dev_losses, color='#E20079', linestyle='--', label="Dev loss")
    # 绘制坐标轴和图例
    plt.ylabel("loss", fontsize='x-large')
    plt.xlabel("step", fontsize='x-large')
    plt.legend(loc='upper right', fontsize='x-large')
 
    plt.subplot(1, 2, 2)
    # 绘制评价准确率变化曲线
    if runner.dev_losses[0][0] != -1:
        plt.plot(dev_steps, runner.dev_scores,
                 color='#E20079', linestyle="--", label="Dev accuracy")
    else:
        plt.plot(list(range(len(runner.dev_scores))), runner.dev_scores,
                 color='#E20079', linestyle="--", label="Dev accuracy")
    # 绘制坐标轴和图例
    plt.ylabel("score", fontsize='x-large')
    plt.xlabel("step", fontsize='x-large')
    plt.legend(loc='lower right', fontsize='x-large')
 
    plt.savefig(fig_name)
    plt.show()
 
 
runner.load_model('best_model.pdparams')
plot(runner, 'cnn-loss1.pdf')

运行结果：

[Evaluate]  dev score: 0.50000, dev loss: 1.37084
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.30000 --> 0.50000
[Train] epoch: 4/10, step: 75/160, loss: 1.79037
[Evaluate]  dev score: 0.39500, dev loss: 1.68836
[Train] epoch: 5/10, step: 90/160, loss: 0.97746
[Evaluate]  dev score: 0.72000, dev loss: 0.99998
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.50000 --> 0.72000
[Train] epoch: 6/10, step: 105/160, loss: 0.65764
[Evaluate]  dev score: 0.76000, dev loss: 0.60664
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.72000 --> 0.76000
[Train] epoch: 7/10, step: 120/160, loss: 0.36129
[Evaluate]  dev score: 0.77000, dev loss: 0.60093
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.76000 --> 0.77000
[Train] epoch: 8/10, step: 135/160, loss: 0.28965
[Evaluate]  dev score: 0.84000, dev loss: 0.39456
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.77000 --> 0.84000
[Train] epoch: 9/10, step: 150/160, loss: 0.15746
[Evaluate]  dev score: 0.87500, dev loss: 0.31205
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.84000 --> 0.87500
[Evaluate]  dev score: 0.89500, dev loss: 0.28777
[Evaluate] best accuracy performence has been updated: 0.87500 --> 0.89500
[Train] Training done!

5.3.4 模型评价

使用测试数据对在训练过程中保存的最佳模型进行评价，观察模型在测试集上的准确率以及损失变化情况。

# 加载最优模型
runner.load_model('best_model.pdparams')
# 模型评价
score, loss = runner.evaluate(test_loader)
print("[Test] accuracy/loss: {:.4f}/{:.4f}".format(score, loss))

运行结果：

[Test] accuracy/loss: 0.9050/0.2857

5.3.5 模型预测

同样地，我们也可以使用保存好的模型，对测试集中的某一个数据进行模型预测，观察模型效果。

# 获取测试集中第一条数
X, label = next(iter(test_loader))
logits = runner.predict(X)
# 多分类，使用softmax计算预测概率
pred = F.softmax(logits, dim=1)
print(pred.shape)
# 获取概率最大的类别
pred_class = torch.argmax(pred[1]).numpy()
print(pred_class)
label = label[1].numpy()
# 输出真实类别与预测类别
print("The true category is {} and the predicted category is {}".format(label, pred_class))
# 可视化图片
plt.figure(figsize=(2, 2))
image, label = test_set[0][1], test_set[1][1]
image= np.array(image).astype('float32')
image = np.reshape(image, [28,28])
image = Image.fromarray(image.astype('uint8'), mode='L')
plt.imshow(image)
plt.savefig('cnn-number2.pdf')

运行结果：

The true category is 1 and the predicted category is 1

使用前馈神经网络实现MNIST识别，与LeNet效果对比。（选做）

import torch
import torch.nn as nn
from matplotlib import pyplot as plt
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
 
batch_size = 64
lr = 0.01
momentum = 0.5
epoch = 5
 
# 归一化
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))])
# train=True训练集，=False测试集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./pythonProject/mnist', train=True, transform=transform, download=True)
test_dataset = datasets.MNIST(root='./pythonProject/mnist', train=False, transform=transform, download=True)
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)
 
fig = plt.figure()
for i in range(12):
    plt.subplot(3, 4, i + 1)
    plt.tight_layout()
    plt.imshow(train_dataset.train_data[i], cmap='gray', interpolation='none')
    plt.title("Labels: {}".format(train_dataset.train_labels[i]))
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
plt.show()
 
 
# 定义前馈神经网络
class Model_MLP_L2_V3(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Model_MLP_L2_V3, self).__init__()
        self.conv1 = torch.nn.Sequential(torch.nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=(5, 5)), torch.nn.ReLU(),
                                         torch.nn.MaxPool2d(kernel_size=2))
        self.conv2 = torch.nn.Sequential(torch.nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=(5, 5)), torch.nn.ReLU(),
                                         torch.nn.MaxPool2d(kernel_size=2))
        self.fc = torch.nn.Sequential(torch.nn.Linear(320, 50), torch.nn.Linear(50, 10))
 
    def forward(self, x):
        batch_size = x.size(0)
        x = self.conv1(x)  # 一层卷积层,一层池化层,一层激活层
        x = self.conv2(x)
        x = x.view(batch_size, -1)  # flatten变成全连接网络需要的输入(batch, 20,4,4)==>(batch,320),-1此处自动算出的是320
        x = self.fc(x)
        return x
 
 
model = Model_MLP_L2_V3()
 
# 设置损失函数和优化器
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()  # 交叉熵损失
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=momentum)
 
 
def train(epoch):
    running_loss = 0.0  # 这整个epoch的loss清零
    running_total = 0
    running_correct = 0
    for batch_idx, data in enumerate(train_loader, 0):
        inputs, target = data
        optimizer.zero_grad()
 
        # forward + backward + update
        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, target)
 
        loss.backward()
        optimizer.step()
 
        # 把运行中的loss累加起来，为了下面300次一除
        running_loss += loss.item()
        # 把运行中的准确率acc算出来
        _, predicted = torch.max(outputs.data, dim=1)
        running_total += inputs.shape[0]
        running_correct += (predicted == target).sum().item()
 
        if batch_idx % 100 == 99:
            print('[%d, %5d]: loss: %.3f , acc: %.2f %%' % (
            epoch + 1, batch_idx + 1, running_loss / 300, 100 * running_correct / running_total))
            running_loss = 0.0  # 该批次loss清零
            running_total = 0
            running_correct = 0  # 该批次acc清零
 
 
def test():
    correct = 0
    total = 0
    with torch.no_grad():
        for data in test_loader:
            images, labels = data
            outputs = model(images)
            _, predicted = torch.max(outputs.data, dim=1)  # dim=1 列是第0个维度，行是第1个维度，沿着行(第1个维度)去找1.最大值和2.最大值的下标
            total += labels.size(0)  # 张量之间的比较运算
            correct += (predicted == labels).sum().item()
    accuracy = correct / total  # 测试准确率=正确数/总数
    print('[%d]: Accuracy on test set: %.1f %% ' % (epoch + 1, 100 * accuracy))
    return accuracy
 
 
# 主函数
if __name__ == '__main__':
    acc_list_test = []
    for epoch in range(epoch):
        train(epoch)
        acc_test = test()
        acc_list_test.append(acc_test)
 
    plt.plot(acc_list_test)
    plt.xlabel('Epoch')
    plt.ylabel('Accuracy')
    plt.show()

运行结果：

[1,   100]: loss: 0.522 , acc: 54.70 %
[1,   200]: loss: 0.143 , acc: 87.17 %
[1,   300]: loss: 0.098 , acc: 91.45 %
[1,   400]: loss: 0.083 , acc: 92.45 %
[1,   500]: loss: 0.074 , acc: 93.41 %
[1,   600]: loss: 0.067 , acc: 94.22 %
[1,   700]: loss: 0.054 , acc: 95.34 %
[1,   800]: loss: 0.055 , acc: 95.23 %
[1,   900]: loss: 0.048 , acc: 95.58 %
[1]: Accuracy on test set: 96.2 %
[2,   100]: loss: 0.042 , acc: 96.56 %
[2,   200]: loss: 0.042 , acc: 96.03 %
[2,   300]: loss: 0.036 , acc: 96.61 %
[2,   400]: loss: 0.037 , acc: 96.73 %
[2,   500]: loss: 0.037 , acc: 96.88 %
[2,   600]: loss: 0.032 , acc: 97.30 %
[2,   700]: loss: 0.029 , acc: 97.12 %
[2,   800]: loss: 0.034 , acc: 97.06 %
[2,   900]: loss: 0.029 , acc: 97.36 %
[2]: Accuracy on test set: 97.1 %
[3,   100]: loss: 0.028 , acc: 97.52 %
[3,   200]: loss: 0.024 , acc: 98.03 %
[3,   300]: loss: 0.025 , acc: 97.92 %
[3,   400]: loss: 0.028 , acc: 97.62 %
[3,   500]: loss: 0.026 , acc: 97.64 %
[3,   600]: loss: 0.027 , acc: 97.61 %
[3,   700]: loss: 0.027 , acc: 97.62 %
[3,   800]: loss: 0.027 , acc: 97.47 %
[3,   900]: loss: 0.026 , acc: 97.53 %
[3]: Accuracy on test set: 98.4 % 
[4,   100]: loss: 0.022 , acc: 98.02 %
[4,   200]: loss: 0.023 , acc: 97.91 %
[4,   300]: loss: 0.024 , acc: 97.78 %
[4,   400]: loss: 0.019 , acc: 98.38 %
[4,   500]: loss: 0.023 , acc: 97.72 %
[4,   600]: loss: 0.019 , acc: 98.23 %
[4,   700]: loss: 0.024 , acc: 97.86 %
[4,   800]: loss: 0.021 , acc: 97.94 %
[4,   900]: loss: 0.023 , acc: 97.83 %
[4]: Accuracy on test set: 98.5 % 
[5,   100]: loss: 0.020 , acc: 98.19 %
[5,   200]: loss: 0.020 , acc: 98.23 %
[5,   300]: loss: 0.020 , acc: 98.14 %
[5,   400]: loss: 0.018 , acc: 98.14 %
[5,   500]: loss: 0.015 , acc: 98.67 %
[5,   600]: loss: 0.020 , acc: 98.33 %
[5,   700]: loss: 0.016 , acc: 98.47 %
[5,   800]: loss: 0.022 , acc: 98.05 %
[5,   900]: loss: 0.020 , acc: 98.19 %
[5]: Accuracy on test set: 98.5 % 

可视化LeNet中的部分特征图和卷积核，谈谈自己的看法。（选做）

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense,Flatten
from keras.layers.convolutional import Conv2D,MaxPooling2D
from keras.utils.np_utils import to_categorical
from keras.datasets import mnist
from keras import backend as K
from keras.models import load_model
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
x_train = x_train.reshape((-1,28,28,1))
y_train = to_categorical(y_train,10)
x_test = x_test.reshape((-1,28,28,1))
y_test = to_categorical(y_test,10)
 
model = Sequential()
model.add(Conv2D(6,(5,5),strides=(1,1),input_shape=(28,28,1),padding='valid',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2)))
model.add(Conv2D(16,(5,5),strides=(1,1),padding='valid',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(120,activation='relu'))
model.add(Dense(84,activation='relu'))
model.add(Dense(10,activation='softmax'))
model.compile(optimizer='sgd',loss='categorical_crossentropy',metrics=['accuracy'])
model.summary()
model.fit(x_train,y_train,batch_size=100,epochs=50,shuffle=True)
model.save('D:/LeNet/LeNet-5_model.h5')
loss, accuracy=model.evaluate(x_test, y_test,batch_size=100)
print(loss, accuracy)
 
#----------------------------------各个层特征可视化-------------------------------
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
#加载前面保存的模型
model=load_model('D:/LeNet/LeNet-5_model.h5')
#查看输入图片
fig1,ax1 = plt.subplots(figsize=(4,4))
ax1.imshow(np.reshape(x_test[12], (28, 28)))
plt.show()
 
image_arr=np.reshape(x_test[12], (-1,28, 28,1))
#可视化第一个MaxPooling2D
layer_1 = K.function([model.layers[0].input], [model.layers[1].output])
# 只修改inpu_image
f1 = layer_1([image_arr])[0]
# 第一层卷积后的特征图展示，输出是（1,12,12,6），（样本个数，特征图尺寸长，特征图尺寸宽，特征图个数）
re = np.transpose(f1, (0,3,1,2))
for i in range(6):
    plt.subplot(2,4,i+1)
    plt.imshow(re[0][i]) #,cmap='gray'
plt.show()
#可视化第二个MaxPooling2D
layer_2 = K.function([model.layers[0].input], [model.layers[3].output])
f2 = layer_2([image_arr])[0]
# 第一层卷积后的特征图展示，输出是（1,4,4,16），（样本个数，特征图尺寸长，特征图尺寸宽，特征图个数）
re = np.transpose(f2, (0,3,1,2))
for i in range(16):
    plt.subplot(4,4,i+1)
    plt.imshow(re[0][i]) #, cmap='gray'
plt.show()
 
#----------------------------------可视化滤波器-------------------------------
model=load_model('D:/LeNet/LeNet-5_model.h5')
#将张量转换成有效图像
def deprocess_image(x):
    # 对张量进行规范化
    x -= x.mean()
    x /= (x.std() + 1e-5)
    x *= 0.1
    x += 0.5
    x = np.clip(x, 0, 1)
    # 转化到RGB数组
    x *= 255
    x = np.clip(x, 0, 255).astype('uint8')
    return x
 
for i_kernal in range(10):
    input_img=model.input
    ## 构建一个损耗函数，使所考虑的层的第n个滤波器的激活最大化，-1层softmax层
    loss = K.mean(model.layers[-1].output[:,i_kernal])
    # loss = K.mean(model.output[:, :,:, i_kernal])
    # 计算输入图像的梯度与这个损失
    grads = K.gradients(loss, input_img)[0]
    # 效用函数通过其L2范数标准化张量
    grads /= (K.sqrt(K.mean(K.square(grads))) + 1e-5)
    # 此函数返回给定输入图像的损耗和梯度
    iterate = K.function([input_img, K.learning_phase()], [loss, grads])
    # 从带有一些随机噪声的灰色图像开始
    np.random.seed(0)
    #图像通道
    num_channels=1
    #输入图像尺寸
    img_height=img_width=28
    #归一化图像
    input_img_data = (255- np.random.randint(0,255,(1,  img_height, img_width, num_channels))) / 255.
    failed = False
    # run gradient ascent
    print('####################################',i_kernal+1)
    loss_value_pre=0
     # 运行梯度上升500步
    for i in range(500):
        loss_value, grads_value = iterate([input_img_data,1])
        if i%10 == 0:
            # print(' predictions: ' , np.shape(predictions), np.argmax(predictions))
            print('Iteration %d/%d, loss: %f' % (i, 500, loss_value))
            print('Mean grad: %f' % np.mean(grads_value))
            if all(np.abs(grads_val) < 0.000001 for grads_val in grads_value.flatten()):
                failed = True
                print('Failed')
                break
            # print('Image:\n%s' % str(input_img_data[0,0,:,:]))
            if loss_value_pre != 0 and loss_value_pre > loss_value:
                break
            if loss_value_pre == 0:
                loss_value_pre = loss_value
 
            # if loss_value > 0.99:
            #     break
 
        input_img_data += grads_value * 1 #e-3
    plt.subplot(2,5, i_kernal+1)
    # plt.imshow((process(input_img_data[0,:,:,0])*255).astype('uint8'), cmap='Greys') #cmap='Greys'
    img_re = deprocess_image(input_img_data[0])
    img_re = np.reshape(img_re, (28,28))
    plt.imshow(img_re) #cmap='Greys'
plt.show()

总结

刚开始的训练，实验的结果一直很低，连10%都到不了，最后换了一个数据集才走上正轨。作业一直交不上就是数据集不好。没事还是要多问问吧。