在本节中,我们将介绍LeNet,它是最早发布的卷积神经网络之一,因其在计算机视觉任务中的高效性能而收到广泛关注。这个模型是AT&贝尔实验室的研究院Yann LeCun在1989年提出的(并以其命名),⽬的是识别图像 [LeCun et al., 1998]中的⼿写数字。当时,Yann LeCun发表了第⼀篇通过反向传播成功训练卷积神经⽹络的研究,这项⼯作代表了⼗多年来神经⽹络研究开发的成果
当时,LeNet取得了与⽀持向量机(support vector machines)性能相媲美的成果,成为监督学习的主流⽅法。LeNet被⼴泛⽤于⾃动取款机(ATM)机中,帮助识别处理⽀票的数字。时⾄今⽇,⼀些⾃动取款机仍在运⾏Yann LeCun和他的同事Leon Bottou在上世纪90年代写的代码呢!
总体来看,LeNet(LeNet-5)由两个部分组成:
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
net = nn.Sequential(
nn.Conv2d(1,6,kernel_size=5,padding=2),nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
nn.Conv2d(6,16,kernel_size=5),nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
nn.Flatten(),
nn.Linear(16 * 5 * 5,120),nn.Sigmoid(),
nn.Linear(120,84),nn.Sigmoid(),
nn.Linear(84,10))
我们对原始模型做了一点小改动,去掉了最后一层的高斯激活。除此之外,这个网络与最初的LetNet-5一致
下面,我们将一个大小为28 * 28的单通道(黑白)图像通过LeNet。通过在每一次打印输出的形状,我们可以检查模型,以确保其操作与我们期望的图6.6.2一致
X = torch.rand(size=(1,1,28,28),dtype=torch.float32)
for layer in net:
X = layer(X)
print(layer.__class__.__name__,'output shape: \t',X.shape)
Conv2d output shape: torch.Size([1, 6, 28, 28])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 6, 28, 28])
AvgPool2d output shape: torch.Size([1, 6, 14, 14])
Conv2d output shape: torch.Size([1, 16, 10, 10])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 16, 10, 10])
AvgPool2d output shape: torch.Size([1, 16, 5, 5])
Flatten output shape: torch.Size([1, 400])
Linear output shape: torch.Size([1, 120])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 120])
Linear output shape: torch.Size([1, 84])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 84])
Linear output shape: torch.Size([1, 10])
请注意,在整个卷积块中,与上一层相比,每一层特征的高度和宽度都减小了。第一个卷积使用2个像素的填充,来补偿5 * 5卷积核导致的特征减少。相反,第二个卷积层没有填充,因此高度核宽度都减少了4个像素。随着层叠的上升,通道的数量从输入时的1个,增加到第一个卷积层之后的6个,再到第二个卷积层之后的16个。同时,每个汇聚层的高度和宽度都减半。最后,每个全连接层减少维数,最终输出一个维数与结果分类数相匹配的输出
现在我们已经实现了LeNet,让我们看看LeNet在Fasion-MNIST数据集上的表现
batch_size = 256
train_iter,test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size=batch_size)
虽然卷积神经网络的参数较少,但与深度的多层感知机相比,它们的计算成本仍然很高,因为每个参数都参与更多的乘法,若你有机会使用GPU,可以用它加快训练
为了进行评估,我们需要对以前描述的evaluate_accuracy函数进行轻微的修改。由于完整的数据集位于内存中,因此在模型使用GPU计算数据集之前,我们需要将其复制到显存中
def evaluate_accuacy_gpu(net,data_iter,device=None):
"""使用GPU计算模型在数据集上的精度"""
if isinstance(net,nn.Module):
net.eval() # 设置为评估模式
if not device:
device = next(iter(net.parameters())).device
# 正确预测的数量,总预测的数量
metric = d2l.Accumulator(2)
with torch.no_grad():
for X,y in data_iter:
if isinstance(X,list):
# BERT微调所需的(之后将介绍)
X = [x.to(device) for x in X]
else:
X = X.to(device)
y = y.to(device)
metric.add(d2l.accuracy(net(X),y),y.numel())
return metric[0] / metric[1]
为了使⽤GPU,我们还需要⼀点⼩改动。与 3.6节中定义的train_epoch_ch3不同,在进⾏正向和反向传播之前,我们需要将每⼀⼩批量数据移动到我们指定的设备(例如GPU)上
如下所⽰,训练函数train_ch6也类似于 3.6节中定义的train_ch3。由于我们将实现多层神经⽹络,因此我们将主要使⽤⾼级API。以下训练函数假定从⾼级API创建的模型作为输⼊,并进⾏相应的优化。我们使⽤在 4.8.2节中介绍的Xavier随机初始化模型参数。与全连接层⼀样,我们使⽤交叉熵损失函数和⼩批量随机梯度下降
def train_ch6(net,train_iter,test_iter,num_epochs,lr,device):
"""用GOU训练模型(在第六章定义)"""
def init_weights(m):
if type(m) == nn.Linear or type(m) == nn.Conv2d:
nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
net.apply(init_weights)
print('training on',device)
net.to(device)
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(),lr=lr)
loss = nn.CrossEntropyLoss()
animator = d2l.Animator(xlabel='epoch',xlim=[1,num_epochs],legend=['train loss','train acc','test acc'])
timer,num_batches = d2l.Timer(),len(train_iter)
for epoch in range(num_epochs):
# 训练损失之和,训练准确率之和,样本数
metric = d2l.Accumulator(3)
net.train()
for i,(X,y) in enumerate(train_iter):
timer.start()
optimizer.zero_grad()
X,y = X.to(device),y.to(device)
y_hat = net(X)
l = loss(y_hat,y)
l.backward()
optimizer.step()
with torch.no_grad():
metric.add(l * X.shape[0],d2l.accuracy(y_hat,y),X.shape[0])
timer.stop()
train_l = metric[0] / metric[2]
train_acc = metric[1] / metric[2]
if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:
animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,(train_l,train_acc,None))
test_acc = evaluate_accuacy_gpu(net,test_iter)
animator.add(epoch + 1,(None,None,test_acc))
print(f'loss {train_l:.3f}, train acc {train_acc:.3f}, 'f'test acc {test_acc:.3f}')
print(f'{metric[2] * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec 'f'on {str(device)}')
现在,我们训练和评估LeNet-5模型
lr, num_epochs = 0.9, 10
train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
loss 0.472, train acc 0.823, test acc 0.770
65229.9 examples/sec on cuda:0
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aGO8XkNa-1663410443533)(output_13_1.svg)]