深度学习-LeNet（第一个卷积神经网络）

前些天发现了一个巨牛的人工智能学习网站，通俗易懂，风趣幽默，忍不住分享一下给大家。点击跳转到网站。

简介

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LeNet模型是在1998年提出的一种图像分类模型，应用于支票或邮件编码上的手写数字的识别，也被认为是最早的卷积神经网络(CNN)，为后续CNN的发展奠定了基础，作者LeCun Y也被誉为卷积神经网络之父。LeNet之后一直直到2012年的AlexNet模型在ImageNet比赛上表现优秀，使得沉寂了14年的卷积神经网络再次成为研究热点。

LeCun Y, Bottou L, Bengio Y, et al. Gradient-based learning applied to document recognition[J]. Proceedings of the IEEE, 1998, 86(11): 2278-2324.

LeNet模型结构如下：

• INPUT（输入层）
  输入图像的尺寸为32X32，是单通道的灰色图像。
• C1（卷积层）
  使用了6个大小为5×5的卷积核，步长为1，卷积后得到6张28×28的特征图。
• S2（池化层）
  使用了6个2×2 的平均池化，步长为2，池化后得到6张14×14的特征图。
• C3（卷积层）
  使用了16个大小为5×5的卷积核，步长为1，得到 16 张10×10的特征图。
  由于是多个卷积核对应多个输入，论文中采用了如下组合方式：
  
• S4（池化层）
  使用16个2×2的平均池化，步长为2，池化后得到16张5×5 的特征图。
• C5（卷积层）
  使用120个大小为5×5的卷积核，步长为1，卷积后得到120张1×1的特征图。
• F6（全连接层）
  输入维度120，输出维度是84（对应7x12 的比特图）。
• OUTPUT（输出层）
  使用高斯核函数，输入维度84，输出维度是10（对应数字 0 到 9）。

数据集

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使用torchversion内置的MNIST数据集，训练集大小60000，测试集大小10000，图像大小是1×28×28，包括数字0~9共10个类。官网：http://yann.lecun.com/exdb/mnist/

from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms
import torchvision

mnist_train = torchvision.datasets.MNIST(root='./datasets/',
                                         train=True, download=True, transform=transforms.ToTensor())
mnist_test = torchvision.datasets.MNIST(root='./datasets/',
                                        train=False, download=True, transform=transforms.ToTensor())
print(len(mnist_train), len(mnist_test))  # 打印训练/测试集大小
feature, label = mnist_train[0]
print(feature.shape, label)  # 打印图像大小和标签
dataloader = DataLoader(mnist_test, batch_size=64, num_workers=0)  # 每次批量加载64张
step = 0
writer = SummaryWriter(log_dir='runs/mnist')  # 可视化
for data in dataloader:
    features, labels = data
    writer.add_images(tag='train', img_tensor=features, global_step=step)
    step += 1
writer.close()

可视化部分可参考我这篇博客：深度学习-Tensorboard可视化面板

此外，还可以使用torchversion内置的FashionMNIST数据集，包括衣服、包等10类图像，也是1×28×28，各60000、10000张。

模型搭建

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使用Pytoch进行搭建和测试。

import torch
from torch import nn, optim


class LeNet(nn.Module):

    def __init__(self) -> None:
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(  # (-1,1,28,28)
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2),  # (-1,6,28,28)
            nn.Sigmoid(),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # (-1,6,14,14)
            nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5),  # (-1,16,10,10)
            nn.Sigmoid(),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # (-1,16,5,5)
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(in_features=16 * 5 * 5, out_features=120),  # (-1,120)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(120, 84),  # (-1,84)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(in_features=84, out_features=10)  # (-1,10)
        )

    def forward(self, x):
        return self.model(x)


leNet = LeNet()
print(leNet)

模型训练

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import torch
import torchvision
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import transforms
from torch import nn
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter


class LeNet(nn.Module):

    def __init__(self) -> None:
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(  # (-1,1,28,28)
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2),  # (6,28,28)
            nn.Sigmoid(),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # (6,14,14)
            nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5),  # (16,10,10)
            nn.Sigmoid(),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # (16,5,5)
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(in_features=16 * 5 * 5, out_features=120),  # (-1,120)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(120, 84),  # (-1,84)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(in_features=84, out_features=10)  # (-1,10)
        )

    def forward(self, x):
        return self.model(x)


# 创建模型
leNet = LeNet()
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
leNet = leNet.to(device)  # 若支持GPU加速
# 损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_fn = loss_fn.to(device)
# 优化器
learning_rate = 1e-2
optimizer = torch.optim.Adam(leNet.parameters(), lr=learning_rate)
total_train_step = 0  # 总训练次数
total_test_step = 0  # 总测试次数
epoch = 10  # 训练轮数
writer = SummaryWriter(log_dir='runs/LeNet')  # 可视化
# 数据
mnist_train = torchvision.datasets.MNIST(root='./datasets/',
                                         train=True, download=True, transform=transforms.ToTensor())
mnist_test = torchvision.datasets.MNIST(root='./datasets/',
                                        train=False, download=True, transform=transforms.ToTensor())
dataloader_train = DataLoader(mnist_train, batch_size=256, num_workers=0)  # 每次批量加载256张
# 训练模型
for i in range(epoch):
    print("-----第{}轮训练开始-----".format(i + 1))
    leNet.train()  # 训练模式
    for data in dataloader_train:
        imgs, labels = data
        imgs = imgs.to(device)
        labels = labels.to(device)
        outputs = leNet(imgs)
        loss = loss_fn(outputs, labels)
        optimizer.zero_grad()  # 清空之前梯度
        loss.backward()  # 反向传播
        optimizer.step()  # 更新参数
        total_train_step += 1  # 更新步数
        print("训练次数：{}, Loss: {}".format(total_train_step, loss.item()))
        writer.add_scalar("train_loss", loss.item(), total_train_step)

writer.close()

（插播反爬信息 ）博主CSDN地址：https://wzlodq.blog.csdn.net/

由于打印了每轮各个批次64张图的损失，不同批次损失不同，所以上下震荡大，但总体仍是减少收敛的。

模型测试

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	leNet.eval()  # 测试模式
    total_test_loss = 0  # 当前轮次模型测试所得损失
    total_accuracy = 0  # 当前轮次精确率
    with torch.no_grad():  # 关闭梯度反向传播
        for data in dataloader_test:
            imgs, targets = data
            imgs = imgs.to(device)
            targets = targets.to(device)
            outputs = leNet(imgs)
            loss = loss_fn(outputs, targets)
            total_test_loss = total_test_loss + loss.item()
            accuracy = (outputs.argmax(1) == targets).sum()
            total_accuracy = total_accuracy + accuracy

    print("测试集上的Loss: {}".format(total_test_loss))
    print("测试集上的正确率: {}".format(total_accuracy/len(mnist_test)))
    writer.add_scalar("test_loss", total_test_loss, total_test_step)
    writer.add_scalar("test_accuracy", total_accuracy/len(mnist_test), total_test_step)
    total_test_step = total_test_step + 1
    torch.save(leNet, "LeNet_{}.pth".format(i))  # 保存模型

随着训练轮数增加，对应模型测试的损失减少并收敛，最后有一点震荡向上，可能是过拟合了，问题不大。

精确率在5轮后就趋于98%以上，就是说感受到了来自98年的科技~

最后，附完整代码：

import torch
import torchvision
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import transforms
from torch import nn
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter


class LeNet(nn.Module):

    def __init__(self) -> None:
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(  # (-1,1,28,28)
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2),  # (-1,6,28,28)
            nn.Sigmoid(),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # (-1,6,14,14)
            nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5),  # (-1,16,10,10)
            nn.Sigmoid(),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),  # (-1,16,5,5)
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(in_features=16 * 5 * 5, out_features=120),  # (-1,120)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(120, 84),  # (-1,84)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(in_features=84, out_features=10)  # (-1,10)
        )

    def forward(self, x):
        return self.model(x)


# 创建模型
leNet = LeNet()
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
leNet = leNet.to(device)  # 若支持GPU加速
# 损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_fn = loss_fn.to(device)
# 优化器
learning_rate = 1e-2
optimizer = torch.optim.Adam(leNet.parameters(), lr=learning_rate)
total_train_step = 0  # 总训练次数
total_test_step = 0  # 总测试次数
epoch = 10  # 训练轮数
writer = SummaryWriter(log_dir='runs/LeNet')  # 可视化
# 数据
mnist_train = torchvision.datasets.MNIST(root='./datasets/',
                                         train=True, download=True, transform=transforms.ToTensor())
mnist_test = torchvision.datasets.MNIST(root='./datasets/',
                                        train=False, download=True, transform=transforms.ToTensor())
dataloader_train = DataLoader(mnist_train, batch_size=64, num_workers=0)  # 每次批量加载64张
dataloader_test = DataLoader(mnist_test, batch_size=64, num_workers=0)  # 每次批量加载64张

for i in range(epoch):
    print("-----第{}轮训练开始-----".format(i + 1))
    leNet.train()  # 训练模式
    for data in dataloader_train:
        imgs, labels = data
        imgs = imgs.to(device)  # 适配GPU/CPU
        labels = labels.to(device)
        outputs = leNet(imgs)
        loss = loss_fn(outputs, labels)
        optimizer.zero_grad()  # 清空之前梯度
        loss.backward()  # 反向传播
        optimizer.step()  # 更新参数
        total_train_step += 1  # 更新步数
        if total_train_step % 100 ==0:  # 每100次可视化一下
            print("训练次数：{}, Loss: {}".format(total_train_step, loss.item()))
        writer.add_scalar("train_loss", loss.item(), total_train_step)

    leNet.eval()  # 测试模式
    total_test_loss = 0  # 当前轮次模型测试所得损失
    total_accuracy = 0  # 当前轮次精确率
    with torch.no_grad():  # 关闭梯度反向传播
        for data in dataloader_test:
            imgs, targets = data
            imgs = imgs.to(device)
            targets = targets.to(device)
            outputs = leNet(imgs)
            loss = loss_fn(outputs, targets)
            total_test_loss = total_test_loss + loss.item()
            accuracy = (outputs.argmax(1) == targets).sum()
            total_accuracy = total_accuracy + accuracy

    print("测试集上的Loss: {}".format(total_test_loss))
    print("测试集上的正确率: {}".format(total_accuracy/len(mnist_test)))
    writer.add_scalar("test_loss", total_test_loss, total_test_step)
    writer.add_scalar("test_accuracy", total_accuracy/len(mnist_test), total_test_step)
    total_test_step = total_test_step + 1
    torch.save(leNet, "LeNet_{}.pth".format(i))  # 保存模型
writer.close()

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