《超详细》小白如何用pycharm进行RMB识别（含模型建立，损失函数，优化函数与具体组合实现功能的具体流程）
目录
一、模型板块
模型构建经验总结
1. 在init函数中设定自己想要的卷积层和线性层
2.在forward函数中制定数据信息变化过程
基础模型 Module
init函数部分
forward函数部分
Sequential模型（本项目并没有用到，但还是说一说）
最简单的序贯模型
给每一个层添加名称
二、损失函数与优化函数
1.损失函数
2.优化函数
三、具体组合实现功能的流程
参数设定
数据部分的实例化
循环训练部分
四.运行结果展示
总结
一、模型板块
模型构建经验总结
1. 在init函数中设定自己想要的卷积层和线性层
self.conv1 = nn.Conv2d(输入层数, 输出层数, 卷积核大小)
self.fc1 = nn.Linear(层数*长*宽, 想要的数值)（最终目的是缩小为分类的种类数，但不能直接一步成，必须分成几次达成）
2.在forward函数中制定数据信息变化过程
先是依次进行以下操作，直到无法继续缩小图片信息为止（长宽不满足执行条件）
out = F.relu(self.conv1(x)) （长宽减少，层数增加）
执行条件：满足卷积神将网络的计算公式：
N=(W-F+2P)/S+1
其中N：输出大小
W：输入大小
F：卷积核大小
P：填充值的大小
S：步长大小
out = F.max_pool2d(out, 2) （长宽减半，层数不变）
执行条件：长宽为偶数
当无法继续缩小图片信息后，执行设定好的线性层即可。
基础模型 Module
- 如果你想做一个网络，需要先定义一个Class，继承 nn.Module（这个是必须的,所以先import torch.nn as nn，nn是一个工具箱，很好用)
- 这个Class里面主要写两个函数，一个是初始化的__init__函数，另一个是forward函数。
下面是使用 Module 的模板：
class 网络名字(nn.Module):
def __init__(self, 一些定义的参数):
super(网络名字, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)
self.layer1 = nn.Linear(num_input, num_hidden)
self.layer2 = nn.Sequential(...)
...
定义需要用的网络层
def forward(self, x): # 定义前向传播
x1 = self.layer1(x)
x2 = self.layer2(x)
x = x1 + x2
...
return xinit函数部分
1. __init__里面就是定义卷积层及线性层，先得super()一下，给父类nn.Module初始化一下。在这个里面主要就是定义卷积层的，比如第一层，我们叫它conv1，把它定义成输入3通道，输出6通道，卷积核5*5的的一个卷积层。
2. 而torch.nn.Linear就是神经网络中的线性层，可以实现形如y=Xweight^T+b的加和功能。
forward函数部分
forward里面就是真正执行数据的流动。比如下面的代码，输入的x先经过定义的conv1，再经过激活函数F.relu()。下一步的F.max_pool2d池化也是一样的。在一系列流动以后，最后把x返回到外面去。
本项目的 forward函数部分 如下：
def forward(self, x): #4 3 32 32 ->nn.Conv2d(3, 6, 5)-> 4 6 28 28
out = F.relu(self.conv1(x)) #32->28 4 6 28 28
out = F.max_pool2d(out, 2) #4 6 14 14
out = F.relu(self.conv2(out)) # 4 16 10 10
out = F.max_pool2d(out, 2) # 4 16 5 5
out = out.view(out.size(0), -1) #4 400
out = F.relu(self.fc1(out))
out = F.relu(self.fc2(out))
out = self.fc3(out)
return out补充：池化与下采样的关系如下
下采样和池化应该是包含关系，池化属于下采样，而下采样不局限于池化，如果卷积 stride=2，此时也可以把这种卷积叫做下采样。
池化方法：1. max-pooling：对邻域内特征点取最大值
2. mean-pooling：对邻域内特征点求平均。
池化作用：1. 降维，减少网络要学习的参数数量
2. 防止过拟合
3. 扩大感受野
4. 实现不变性（平移、旋转、尺度不变性）
Sequential模型（本项目并没有用到，但还是说一说）
概念：
- 类似于keras中的序贯模型，当一个模型较简单的时候，我们可以使用torch.nn.Sequential类来实现简单的顺序连接模型。
- 这个模型也是继承自Module类的。
特点：
1. 具有顺序性，各网络层之间严格按照顺序执行。
最简单的序贯模型
import torch.nn as nn
model = nn.Sequential(
nn.Conv2d(1,20,5),
nn.ReLU(),
nn.Conv2d(20,64,5),
nn.ReLU()
)
print(model)
print(model[2]) # 通过索引获取第几个层
'''运行结果为：
Sequential(
(0): Conv2d(1, 20, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(1): ReLU()
(2): Conv2d(20, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(3): ReLU()
)
Conv2d(20, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
'''注：这样做有一个问题，每一个层是没有名称，默认的是以0、1、2、3来命名，从上面的运行结果也可以看出。下文会给出如何给每一个层添加名称。
而其真正运用与项目时，代码举例如下：
class LeNetSequential(nn.Module):
def __init__(self, classes):
super(LeNetSequential, self).__init__()
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 6, 5),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
nn.Conv2d(6, 16, 5),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),)
self.classifier = nn.Sequential(
nn.Linear(16*5*5, 120),
nn.ReLU(),
nn.Linear(120, 84),
nn.ReLU(),
nn.Linear(84, classes),)
def forward(self, x):
x = self.features(x)
x = x.view(x.size()[0], -1)
x = self.classifier(x)
return x主要是起到了将顺序执行的多个网络层进行包装的作用。
给每一个层添加名称
import torch.nn as nn
from collections import OrderedDict
model = nn.Sequential(OrderedDict([
('conv1', nn.Conv2d(1,20,5)),
('relu1', nn.ReLU()),
('conv2', nn.Conv2d(20,64,5)),
('relu2', nn.ReLU())
]))
print(model)
print(model[2]) # 通过索引获取第几个层
'''运行结果为：
Sequential(
(conv1): Conv2d(1, 20, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(relu1): ReLU()
(conv2): Conv2d(20, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(relu2): ReLU()
)
Conv2d(20, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
'''注意：从上面的结果中可以看出，这个时候每一个层都有了自己的名称，但是此时需要注意，我并不能够通过名称直接获取层，依然只能通过索引index，即
model[2] 是正确的
model["conv2"] 是错误的
而对于其在具体项目中的运用方式，也是差不多的。代码如下:
class LeNetSequentialOrderDict(nn.Module):
def __init__(self, classes):
super(LeNetSequentialOrderDict, self).__init__()
self.features = nn.Sequential(OrderedDict({
'conv1': nn.Conv2d(3, 6, 5),
'relu1': nn.ReLU(inplace=True),
'pool1': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
'conv2': nn.Conv2d(6, 16, 5),
'relu2': nn.ReLU(inplace=True),
'pool2': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
}))
self.classifier = nn.Sequential(OrderedDict({
'fc1': nn.Linear(16*5*5, 120),
'relu3': nn.ReLU(),
'fc2': nn.Linear(120, 84),
'relu4': nn.ReLU(inplace=True),
'fc3': nn.Linear(84, classes),
}))
def forward(self, x):
x = self.features(x)
x = x.view(x.size()[0], -1)
x = self.classifier(x)
return x二、损失函数与优化函数
1.损失函数
代码如下（示例）：
criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 提前选择好合适的损失函数
# 以下三行用于数据集的循环中对以每一个batch为单位进行的操作
optimizer.zero_grad() # 用于清除现有梯度值，防止在循环中不断和之前计算得出的梯度累加
loss = criterion(outputs, labels) # 根据计算得出的outputs和已知的labels计算loss
loss.backward() # 调用backward函数，便于下一步的优化
2.优化函数
代码如下（示例）：
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=LR, momentum=0.9) # 选择优化器
scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.1) # 设置学习率下降策略+
# update weights 用在每一轮数据集中的每一个batch中
optimizer.step()
# 在每轮数据集结束时使用
scheduler.step() # 更新学习率- lr- 学习率
- step_size(int)- 学习率下降间隔数，若为 30，则会在 30、 60、 90…个 step 时，将学习率调整为 lr*gamma。（step 通常是指 epoch）
- gamma(float)- 学习率调整倍数，默认为 0.1 倍，即下降 10 倍。
三、具体组合实现功能的流程
参数设定
# 参数设置
MAX_EPOCH = 3 # 数据模块
BATCH_SIZE = 5 # 数据模块
LR = 0.01 # 学习率
log_interval = 10 # 用于在循环中的特定轮次打印训练信息
val_interval = 1 # 用于每轮数据集结束后进行验证集的测试数据部分的实例化
注意：（详细内容参考之前我发的博客）
split_dir = os.path.join(".", "RMB_data", "rmb_split")
train_dir = os.path.join(split_dir, "train")
valid_dir = os.path.join(split_dir, "valid")
norm_mean = [0.485, 0.456, 0.406]
norm_std = [0.229, 0.224, 0.225]
train_transform = transforms.Compose([
transforms.Resize((32, 32)),
transforms.RandomCrop(32, padding=4),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),
])
valid_transform = transforms.Compose([
transforms.Resize((32, 32)),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(norm_mean, norm_std),
])
# 构建MyDataset实例
train_data = RMBDataset(data_dir=train_dir, transform=train_transform)
valid_data = RMBDataset(data_dir=valid_dir, transform=valid_transform)
# 构建DataLoder
train_loader = DataLoader(dataset=train_data, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)
valid_loader = DataLoader(dataset=valid_data, batch_size=BATCH_SIZE)
循环训练部分
代码如下，注释部分已经写得超级详细了，应该不存在看不懂的情况了
for epoch in range(MAX_EPOCH): # MAX_EPOCH：数据集循环的最大轮数
loss_mean = 0. # 平均损失值
correct = 0. # 正确识别的次数
total = 0. # 总共进行了几次识别
net.train() # 反正就是每次数据集训练前必须加上
for i, data in enumerate(train_loader): # train_loader里面存放了所有的数据集信息
# enumerate(train_loader)则表示存放了几
组batch（36组，每组5张图片的信息）和具
体图片信息的列表集合
# forward
inputs, labels = data # data里存放了enumerate(train_loader)中
的36组图片信息（数据和标签）分别赋给
inputs和labels
outputs = net(inputs) # 将数据集代入模型，outputs中为5个集合，
（因为一个batch包含5张图）
每个集合中有2个数据（对应图片为1元或者
100元的概率）
# backward
optimizer.zero_grad()
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
# update weights
optimizer.step() # 根据backward返回的梯度改变对图片每个点
的权重（输入模型的为3层32*32的图片信
息）
# 统计分类情况
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1) # predicted为一个集合，存有5张图片对应种
类（根据outputs集合中的每个集合里的2个
概率的数值谁更大），_存放了一些相应数
据，但不需要管
total += labels.size(0) # 累加得出一共识别了几张图片
correct += (predicted == labels).squeeze().sum().numpy()
# 累加得出一共正确识别了几张图片
# 打印训练信息
loss_mean += loss.item() # 累加loss的值，用于之后求loss的平均值
train_curve.append(loss.item())
if (i+1) % log_interval == 0: # 每当进行了10个batch后输出训练信息
loss_mean = loss_mean / log_interval
print("Training:Epoch[{:0>3}/{:0>3}] Iteration[{:0>3}/{:0>3}] Loss: {:.4f} Acc:{:.2%}".format(
epoch, MAX_EPOCH, i+1, len(train_loader), loss_mean, correct / total))
loss_mean = 0. # len(train_loader)：训练集中共有36个
batch
correct / total：表示正确率
scheduler.step() # 更新学习率
# 每轮训练集结束后进行验证集测试
if (epoch+1) % val_interval == 0:
correct_val = 0.
total_val = 0.
loss_val = 0.
net.eval() # 跟上面的net.train()差不多，必须要加上
with torch.no_grad(): # 验证集不需要返回梯度
# 循环部分跟上面内容差不多
for j, data in enumerate(valid_loader):
inputs, labels = data
outputs = net(inputs)
loss = criterion(outputs, labels)
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
total_val += labels.size(0)
correct_val += (predicted == labels).squeeze().sum().numpy()
loss_val += loss.item()
valid_curve.append(loss_val)
print("Valid:\t Epoch[{:0>3}/{:0>3}] Iteration[{:0>3}/{:0>3}] Loss: {:.4f} Acc:{:.2%}".format(
epoch, MAX_EPOCH, j+1, len(valid_loader), loss_val, correct / total))四.运行结果展示
代码如下：
train_x = range(len(train_curve)) # 总共识别的batch数目
train_y = train_curve # 存放的每个batch对应的loss的平均值
train_iters = len(train_loader) # 点对应的数目
plt.plot(train_x, train_y, label='Train')
plt.legend(loc='upper right')
plt.ylabel('Loss') # 设定纵坐标名称
plt.xlabel('batch') # 设定横坐标名称
plt.show()
总结
这一周已经成功过了一遍RMB识别这个简单的项目，了解了整体流程主干和大致代码内容（类，函数起到的功能所需要的输入内容，输出内容的含义和格式等等），接下来会学习fgsm相关的知识，并结合该项目进行实践。