CNN网络的搭建（Lenet5与ResNet18）
CNN介绍
这里给出维基百科中对于卷积神经网络简介
卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）是一种前馈神经网络，它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元，对于大型图像处理有出色表现。
卷积神经网络由一个或多个卷积层和顶端的全连通层（对应经典的神经网络）组成，同时也包括关联权重和池化层（pooling layer）。这一结构使得卷积神经网络能够利用输入数据的二维结构。与其他深度学习结构相比，卷积神经网络在图像和语音识别方面能够给出更好的结果。这一模型也可以使用反向传播算法进行训练。相比较其他深度、前馈神经网络，卷积神经网络需要考量的参数更少，使之成为一种颇具吸引力的深度学习结构。
卷积神经网络整体结构如下图所示：
关于卷积神经网络更为详细的介绍可以参照这两篇博文，本文主要是进行CNN网络的搭建。
Convolutional Neural Network（part 1）
Convolutional Neural Network（part 2）
环境介绍
- python 3.8
- Pytorch 1.8.1，gpu版本
- IDE：Jupyter Notebook
LeNet5对MNIST手写数字集识别
MNIST数据集
MNIST 手写数字集的图像数据集，包含共 7 万张手写数字的图像。数据集按照60000/10000 的训练测试数据划分，每张图片都是28×28 ×1的灰度图片。
LeNet结构
LeNet-5除去输入层共有七层，从图中来看，结构是很清晰的。
- C1（卷积层）：6@28×28
使用6个卷积核，大小为5×5，步长为1，32×32大小的图片经过C1层，得到6维度的28×28的特征图 - S2（池化层）：6@14×14
池化单元大小为2×2，步长为2，池化后得到的张量为6@14×14 - C3（卷积层）：16@10×10
使用16个卷积核，大小为5×5，步长为1，经过C3层处理后，得到16维度的10×10的特征图 - S4（池化层）：16@5×5
池化单元大小为2×2，步长为2，池化后得到张量为16@5×5 - C5（卷积层）：
根据S4层的输入来看，16个图的大小为5x5，与卷积核的大小相同，所以卷积后形成的图的大小为1x1，可当做一个全连接层处理 - F6（全连接层）：84
将C5层输出的120张量继续送入全连接层，输出维度为84 - Output（输出层）
输出层同样也是全连接层，输出维度为10，代表10个数字。
附：kernel_size、padding、stride与output的关系
给定输入大小(H,W)，卷积核大小为( F h F_h Fh, F w F_w Fw)，填充为P，步长为S，设输出大小为( O h O_h Oh, O w O_w Ow)
则关系为 O h = H + 2 P − F h S + 1 O_h= \frac{H+2P-F_h}{S} +1 Oh=SH+2P−Fh+1 ， O w = W + 2 P − F w S + 1 O_w= \frac{W+2P-F_w}{S} +1 Ow=SW+2P−Fw+1
实现
1.导入需要的包
import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
from torch import optim
2. 加载数据集
# 定义超参数
batch_size = 128
epoches = 30
learning_rate = 0.01
# 加载数据集
# 首次运行,更改download=True
train_dataset = datasets.MNIST('../data', train=True, transform=transforms.ToTensor(), download=False)
test_dataset = datasets.MNIST('../data', train=False, transform=transforms.ToTensor(), download=False)
train_dataloader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
3. 定义网络结构
class LeNet(nn.Module):
def __init__(self, ch_in, ch_out):
super(LeNet, self).__init__()
self.conv_unit = nn.Sequential(
# MNIST数据集图片为28*28*1，故padding设置为2
# out: 28,28,6
nn.Conv2d(ch_in, 6,kernel_size=5,stride=1, padding=2),
nn.ReLU(),
# out: 14,14,6
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0),
# out: 10,10,16
nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5, stride=1, padding=0),
nn.ReLU(),
# out: 5,5,16
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0)
)
self.fc_unit = nn.Sequential(
nn.Flatten(),
nn.Linear(16*5*5, 120),
nn.ReLU(),
nn.Linear(120, 84),
nn.ReLU(),
nn.Linear(84, ch_out)
)
def forward(self, x):
out = self.conv_unit(x)
out = self.fc_unit(out)
return out
4. 训练与测试
device = torch.device('cuda')
model = LeNet(1, 10)
model.to(device)
# 定义优化器和损失函数
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate,momentum=0.9)
criterion = nn.CrossEntropyLoss().to(device)
# print(model)
for epoch in range(epoches):
# 训练
for batch_idx, (x, label) in enumerate(train_dataloader):
x, label = x.to(device), label.to(device)
# print(x.shape)
optimizer.zero_grad()
logits = model(x)
loss = criterion(logits, label)
loss.backward()
optimizer.step()
print("epoch", epoch+1, ", loss：", loss.item())
# 测试
model.eval()
with torch.no_grad():
total_correct = 0
total_num = 0
for x, label in test_dataloader:
x, label = x.to(device), label.to(device)
logits = model(x)
pred = logits.argmax(dim=1)
correct = torch.eq(pred, label).float().sum().item()
total_correct += correct
total_num += x.size(0)
acc = total_correct / total_num
print("epoch", epoch+1, ", test acc：", acc*100, "%")
print('--------------------------------------')
这里踩了一个坑，在训练中计算loss值前一定先调用optimizer.zero_grad()手动清除之前的梯度值，否则造成梯度累加会使我们看到的loss值不准确。
（我就是没有理解好这个函数，写错了位置，在第一次训练时30个epoch的loss值一直稳定地呆在2.30左右，耗费了大量时间找错。。。）
训练及测试的结果如下：
epoch 1 , loss： 0.25060728192329407
epoch 1 , test acc： 95.28 %
--------------------------------------
epoch 2 , loss： 0.15242652595043182
epoch 2 , test acc： 97.58 %
--------------------------------------
epoch 3 , loss： 0.08858081698417664
epoch 3 , test acc： 97.56 %
--------------------------------------
epoch 4 , loss： 0.04381973668932915
epoch 4 , test acc： 98.14 %
--------------------------------------
epoch 5 , loss： 0.13074694573879242
epoch 5 , test acc： 98.42999999999999 %
--------------------------------------
epoch 6 , loss： 0.0805463120341301
epoch 6 , test acc： 98.5 %
--------------------------------------
epoch 7 , loss： 0.058462340384721756
epoch 7 , test acc： 98.8 %
--------------------------------------
epoch 8 , loss： 0.06933911144733429
epoch 8 , test acc： 98.82 %
--------------------------------------
epoch 9 , loss： 0.0038293811958283186
epoch 9 , test acc： 98.83 %
--------------------------------------
epoch 10 , loss： 0.02644767425954342
epoch 10 , test acc： 98.9 %
--------------------------------------
epoch 11 , loss： 0.01148241013288498
epoch 11 , test acc： 98.89 %
--------------------------------------
epoch 12 , loss： 0.0471804253757
epoch 12 , test acc： 98.78 %
--------------------------------------
epoch 13 , loss： 0.0202518068253994
epoch 13 , test acc： 98.91 %
--------------------------------------
epoch 14 , loss： 0.01432273630052805
epoch 14 , test acc： 98.91 %
--------------------------------------
epoch 15 , loss： 0.016958141699433327
epoch 15 , test acc： 99.00999999999999 %
--------------------------------------
epoch 16 , loss： 0.02109897881746292
epoch 16 , test acc： 98.78 %
--------------------------------------
epoch 17 , loss： 0.0031826579943299294
epoch 17 , test acc： 98.78 %
--------------------------------------
epoch 18 , loss： 0.009551439434289932
epoch 18 , test acc： 98.85000000000001 %
--------------------------------------
epoch 19 , loss： 0.014796148054301739
epoch 19 , test acc： 98.8 %
--------------------------------------
epoch 20 , loss： 0.025980213657021523
epoch 20 , test acc： 98.96000000000001 %
--------------------------------------
epoch 21 , loss： 0.001810354646295309
epoch 21 , test acc： 98.94 %
--------------------------------------
epoch 22 , loss： 0.00903941411525011
epoch 22 , test acc： 98.88 %
--------------------------------------
epoch 23 , loss： 0.015878723934292793
epoch 23 , test acc： 98.9 %
--------------------------------------
epoch 24 , loss： 0.0033505165483802557
epoch 24 , test acc： 98.97 %
--------------------------------------
epoch 25 , loss： 0.01157588604837656
epoch 25 , test acc： 99.07000000000001 %
--------------------------------------
epoch 26 , loss： 0.025459831580519676
epoch 26 , test acc： 98.95 %
--------------------------------------
epoch 27 , loss： 0.009870924986898899
epoch 27 , test acc： 99.15 %
--------------------------------------
epoch 28 , loss： 0.0002311600255779922
epoch 28 , test acc： 98.92999999999999 %
--------------------------------------
epoch 29 , loss： 0.00029546089353971183
epoch 29 , test acc： 98.98 %
--------------------------------------
epoch 30 , loss： 0.004764525685459375
epoch 30 , test acc： 98.95 %
--------------------------------------
可以看出，在训练了30个epoch后，LeNet-5网络在MNIST测试集上的准确度可以接近99%，还是一个很不错的结果，考虑到MNIST数据集为灰度图片，难度不大，在使用更为复杂的数据集时，LeNet-5的表现可能就不是很好，例如使用LeNet-5在CIFAR-10数据集上，训练了10个epoch后准确率仅能达到55%左右且提升缓慢，在30个epoch后稳定在64%左右不再提升，代码和结果不再做展示。
下面搭建更复杂的ResNet18用于CIFAR-10数据集上训练和测试。
ResNet18对CIFAR-10数据集分类
CIFAR-10数据集
CIFAR-10 是一个包含60000张图片的数据集。其中每张照片为32*32的彩色照片，每个像素点包括RGB三个数值，数值范围 0 ~ 255。所有照片分属10个不同的类别，分别是 airplane、automobile、bird、cat、deer、dog、 frog、horse、ship、truck。按照50000/10000的训练测试数据划分。
ResNet18结构
ResNet18网络结构相对于LeNet-5要复杂得多，这里不做详细介绍，在代码构建过程中以注释形式说明。
实现
1. 导包
import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
from torch import optim
from torch.nn import functional as F
2. 导入数据集
batch_size = 128
epoches = 100
learning_rate = 0.01
train_dataset = datasets.CIFAR10('../data/CIFAR_10', train=True, transform=transforms.Compose([
# 四周填充0，再将图像随机裁剪成32*32
transforms.RandomCrop(32, padding=4),
# 图像一半的概率翻转，一半的概率不翻转
transforms.RandomHorizontalFlip(),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
]),download=False)
test_dataset = datasets.CIFAR10('../data/CIFAR_10', train=False, transform=transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
]),download=False)
train_dataloader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
3. 定义网络结构
论文中图像输入为3@224×224，而CIFAR-10数据集为3@32×32，在实现时对网络做了少许的修改。
# 构建残差模块
class ResBlk(nn.Module):
def __init__(self, ch_in, ch_out, stride):
super(ResBlk, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(ch_in, ch_out, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(ch_out)
self.conv2 = nn.Conv2d(ch_out, ch_out, kernel_size=3, stride=stride, padding=1)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(ch_out)
self.extra = nn.Sequential()
if ch_out != ch_in:
# [b, ch_in, h, w] => [b, ch_out, h, w]
self.extra = nn.Sequential(
nn.Conv2d(ch_in, ch_out, kernel_size=1, stride=stride),
nn.BatchNorm2d(ch_out)
)
def forward(self, x):
out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
out = self.bn2(self.conv2(out))
# short cut:残差模块直接相连
# extra module: [b, ch_in, h, w] => [b, ch_out, h, w]
out = self.extra(x) + out
out = F.relu(out)
return out
# resnet18主体搭建
class ResNet18(nn.Module):
def __init__(self):
super(ResNet18, self).__init__()
# conv1:论文中为7×7,64,stride=2,这里做了修改
self.conv1 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, stride=3, padding=0),
nn.BatchNorm2d(64)
)
# [b, 64, h, w] => [b, 128, h ,w],即conv2_x
self.blk1 = ResBlk(64, 128, stride=2)
# [b, 128, h, w] => [b, 256, h, w],即conv3_x
self.blk2 = ResBlk(128, 256, stride=2)
# [b, 256, h, w] => [b, 512, h, w],即conv4_x
self.blk3 = ResBlk(256, 512, stride=2)
# [b, 512, h, w] => [b, 512, h, w],即conv5_x
self.blk4 = ResBlk(512, 512, stride=2)
# output
self.outlayer = nn.Linear(512, 10)
def forward(self, x):
x = F.relu(self.conv1(x))
x = self.blk1(x)
x = self.blk2(x)
x = self.blk3(x)
x = self.blk4(x)
# 使用自适应平均池化,直接指定输出大小
x = F.adaptive_avg_pool2d(x, [1, 1])
# 展平张量
x = x.view(x.size(0), -1)
x = self.outlayer(x)
return x
插入话题：代码解释
在残差模块的构建中，有这样一段代码
self.extra = nn.Sequential()
if ch_out != ch_in:
# [b, ch_in, h, w] => [b, ch_out, h, w]
self.extra = nn.Sequential(
nn.Conv2d(ch_in, ch_out, kernel_size=1, stride=stride),
nn.BatchNorm2d(ch_out)
)
残差块中，对输入的x需要两次卷积、两次batch normalize，对应最后的输出维度是ch_out，在实现shortcut时，需要将原始数据x与残差网络输出数据out相加，x的维度是ch_in，若二者不相同，就需要变换，这里利用conv + bn的方法调整二者的维度。
4. 训练和测试
device= torch.device('cuda')
model = ResNet18().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss().to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)
# 记录每个epoch最后一个batch的loss和acc
loss_history = []
acc_history = []
for epoch in range(epoches):
for batch_idx, (x, label) in enumerate(train_dataloader):
x, label = x.to(device), label.to(device)
logits = model(x)
loss = criterion(logits, label)
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
loss_history.append(loss.item())
model.eval()
with torch.no_grad():
total_correct = 0
total_num = 0
for x, label in test_dataloader:
x, label = x.to(device), label.to(device)
logits = model(x)
pred = logits.argmax(dim=1)
correct = torch.eq(pred, label).float().sum().item()
total_correct += correct
total_num += x.size(0)
acc = total_correct / total_num
acc_history.append(acc)
将训练及测试结果保存画图，可得到如下结果
from matplotlib import pyplot as plt
%matplotlib inline
plt.plot(range(0,100) ,loss_history, label='loss')
plt.plot(range(0,100), acc_history,label='acc')
plt.legend()
plt.xlabel('epoch')
在训练了10个epoch后，准确率已经明显超过70 %，30个epoch后，达到80 %左右，相较于LeNet-5还是有较大提升的，从30往后到100，提升并不明显，而loss则经常出现较大的波动，后续可考虑增加learning rate decay来优化训练效果。最终准确率超过80%，并不是很高，这可能是因为在实现时对网络参数做了调整，后面会尝试继续更改参数和结构来优化测试。
查看训练时gpu的使用情况，gpu利用率达到了62%，在之前训练LeNet-5网络时，这一数字仅为4%左右，这也说明ResNet18网络比LeNet-5要复杂了许多。
在使用pytorch搭建了两种CNN网络结构后，对CNN网络在整体上加深了认知，但是对复杂网络细节的理解上还处于起步阶段，在尝试过程中也部分参考了其他文章和视频中的思路。
参考：
1. 深度学习 CNN卷积神经网络 LeNet-5详解
2. resnet18 50网络结构以及pytorch实现代码
3. Pytorch实战2：ResNet-18实现Cifar-10图像分类