【第3次作业】卷积神经网络

【第一部分】视频学习心得及问题总结

1.CNN的基本结构:卷积、池化、全连接

【第3次作业】卷积神经网络_第1张图片

 【第3次作业】卷积神经网络_第2张图片

【第3次作业】卷积神经网络_第3张图片

2.典型网络结构:AlexNet、VGG、GoogleNet、ResNet 

【第3次作业】卷积神经网络_第4张图片【第3次作业】卷积神经网络_第5张图片

【第二部分】代码练习


 ● MNIST 数据集分类


1. 加载数据 (MNIST)

  • root 为数据集下载到本地后的根目录,包括 training.pt 和 test.pt 文件
  • train,如果设置为True,从training.pt创建数据集,否则从test.pt创建。
  • download,如果设置为True, 从互联网下载数据并放到root文件夹下
  • transform, 一种函数或变换,输入PIL图片,返回变换之后的数据。
  • target_transform 一种函数或变换,输入目标,进行变换。

input_size  = 28*28   # MNIST上的图像尺寸是 28x28
output_size = 10      # 类别为 0 到 9 的数字,因此为十类

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
    datasets.MNIST('./data', train=True, download=True,
        transform=transforms.Compose(
            [transforms.ToTensor(),
             transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))])),
    batch_size=64, shuffle=True)

test_loader = torch.utils.data.DataLoader(
    datasets.MNIST('./data', train=False, transform=transforms.Compose([
             transforms.ToTensor(),
             transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))])),
    batch_size=1000, shuffle=True)

显示数据集中的部分图像 

【第3次作业】卷积神经网络_第6张图片

2. 创建网络

定义网络时,需要继承nn.Module,并实现它的forward方法,把网络中具有可学习参数的层放在构造函数init中。

只要在nn.Module的子类中定义了forward函数,backward函数就会自动被实现(利用autograd)。


# 训练函数
def train(model):
    model.train()
    # 主里从train_loader里,64个样本一个batch为单位提取样本进行训练
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        # 把数据送到GPU中
        data, target = data.to(device), target.to(device)

        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if batch_idx % 100 == 0:
            print('Train: [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))

3. 在小型全连接网络上训练(Fully-connected network)

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4. 在卷积神经网络上训练 

【第3次作业】卷积神经网络_第8张图片

含有相同参数的 CNN 效果要明显优于 简单的全连接网络,是因为 CNN 能够更好的挖掘图像中的信息,主要通过两个手段:

  • 卷积:Locality and stationarity in images
  • 池化:Builds in some translation invariance

5. 打乱像素顺序再次在两个网络上训练与测试 

# 训练函数
def train_perm(model, perm):
    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        # 像素打乱顺序
        data = perm_pixel(data, perm)

        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if batch_idx % 100 == 0:
            print('Train: [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))

# 测试函数
def test_perm(model, perm):
    model.eval()
    test_loss = 0
    correct = 0
    for data, target in test_loader:
        data, target = data.to(device), target.to(device)

        # 像素打乱顺序
        data = perm_pixel(data, perm)

        output = model(data)
        test_loss += F.nll_loss(output, target, reduction='sum').item()
        pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1]                                            
        correct += pred.eq(target.data.view_as(pred)).cpu().sum().item()

    test_loss /= len(test_loader.dataset)
    accuracy = 100. * correct / len(test_loader.dataset)
    print('\nTest set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(
        test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
        accuracy))

在全连接网络上训练与测试:

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在卷积神经网络上训练与测试: 

【第3次作业】卷积神经网络_第10张图片

 


● CIFAR10 数据集分类


#定义网络,损失函数和优化器:
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)
        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

# 网络放到GPU上
net = Net().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001)

#训练网络:
for epoch in range(10):  # 重复多轮训练
    for i, (inputs, labels) in enumerate(trainloader):
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)
        # 优化器梯度归零
        optimizer.zero_grad()
        # 正向传播 + 反向传播 + 优化 
        outputs = net(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        # 输出统计信息
        if i % 100 == 0:   
            print('Epoch: %d Minibatch: %5d loss: %.3f' %(epoch + 1, i + 1, loss.item()))

print('Finished Training')

网络在整个数据集上的表现: 

【第3次作业】卷积神经网络_第11张图片

准确率还可以,通过改进网络结构,性能还可以进一步提升。在 Kaggle 的LeaderBoard上,准确率高的达到95%以上。

 


● 使用 VGG16 对 CIFAR10 分类


#网络训练,训练的代码和以前是完全一样的:
for epoch in range(10):  # 重复多轮训练
    for i, (inputs, labels) in enumerate(trainloader):
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)
        # 优化器梯度归零
        optimizer.zero_grad()
        # 正向传播 + 反向传播 + 优化 
        outputs = net(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        # 输出统计信息
        if i % 100 == 0:   
            print('Epoch: %d Minibatch: %5d loss: %.3f' %(epoch + 1, i + 1, loss.item()))

print('Finished Training')

【第3次作业】卷积神经网络_第12张图片

 可以看到,使用一个简化版的 VGG 网络,就能够显著地将准确率由 64%,提升到 84.92%

【总结】 

       卷积神经网络(CNN) 属于人工神经网络的一种,它的权重共享的网络结构显著降低了模型的复杂度,减少了权值的数量。卷积神经网络可以直接将图片作为网络的输入,自动提取特征,并且对图片的变形(如平移、比例缩放、倾斜)等具有高度不变形。卷积神经网络(CNN) 属于人工神经网络的一种,它的权重共享的网络结构显著降低了模型的复杂度,减少了权值的数量。卷积神经网络可以直接将图片作为网络的输入,自动提取特征,并且对图片的变形(如平移、比例缩放、倾斜)等具有高度不变形。

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