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通常来说,当你处理图像、文本、音频和视频数据时,可以使用标准的Python包将数据加载为numpy array形式,然后将数组转换成torch.*Tensor
视觉数据有一些特殊,有一个包torchvision
,可以加载常见数据集,比如ImageNet、CIFAR10、MINIST等,也包括图像转换器,即torchvision.datasets
和torch.utils.data.DataLoader
这给我们提供了极大的便利,同时避免样板代码(boilerplate code)
在本教程中,使用CIFAR10数据集。它包含类: ‘airplane’, ‘automobile’, ‘bird’, ‘cat’, ‘deer’, ‘dog’, ‘frog’, ‘horse’, ‘ship’, ‘truck’。CIFAR10的图像大小为3×32×32,即3个颜色通道,像素大小32×32.
按序执行如下步骤
torchvision
加载并标准化CIFAR10的训练集和测试集import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
torchvision
数据集的输出是[0,1]的PILImage图像,将它们转换成Tensor类型,并标准化在[-1,1]范围内
如果在Windows上运行出现了BrokenPipeError,尝试将
torch.utils.data.DataLoader()
的num_worker设置为0
transform = transforms.Compose(
[transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.5,0.5,0.5),(0.5,0.5,0.5))]
)
batch_size = 4
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset,batch_size=batch_size,shuffle=True,num_workers=2)
testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data',train=False,download=True,transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset,batch_size=batch_size,shuffle=False,num_workers=2)
classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat',
'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')
Downloading https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz to ./data/cifar-10-python.tar.gz
Extracting ./data/cifar-10-python.tar.gz to ./data
Files already downloaded and verified
展示一些有趣的训练图像
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
def imshow(img):
img = img/2 + 0.5 # 未标准化
npimg = img.numpy()
# 将数组的值以图片的形式展示出来
plt.imshow(np.transpose(npimg,(1,2,0)))
plt.show()
# 得到一些随机的训练图片
dataiter = iter(trainloader)
images,labels = dataiter.next()
# 展示图片
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
# 输出标签
print(' '.join(f'{classes[labels[j]]:5s}' for j in range(batch_size)))
car bird cat cat
复制神经网络教程的神经网络代码,并将它修改成适用于3个channel图片的形式
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super().__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 = torch.flatten(x, 1) # flatten all dimensions except batch
x = F.relu(self.fc1(x))
x = F.relu(self.fc2(x))
x = self.fc3(x)
return x
net = Net()
使用交叉熵损失分类,含有momentum的SGD优化
import torch.optim as optim
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(),lr=0.001,momentum=0.9)
这时候开始变得有趣,我们只需简单地在迭代数据上循环,并将输入数据输送到网络并优化
for epoch in range(2): # 循环数据集多次
running_loss = 0.0
for i , data in enumerate(trainloader,0):
# 得到输入数据,数据是[inputs,labels]形式的列表
inputs,labels =data
# 参数梯度置为0
optimizer.zero_grad()
# 前向传播 + 后向传播 + 优化
outputs = net(inputs)
loss = criterion(outputs,labels)
loss.backward()
optimizer.step()
#输出统计数据
running_loss += loss.item()
if i%2000 == 1999: # 每2000个mini-batchs输出一次
print(f'[{epoch+1},{i+1:5d}] loss:{running_loss/2000:.3f}')
running_loss = 0.0
print('完成训练')
[1, 2000] loss: 2.144
[1, 4000] loss: 1.828
[1, 6000] loss: 1.659
[1, 8000] loss: 1.579
[1, 10000] loss: 1.530
[1, 12000] loss: 1.491
[2, 2000] loss: 1.405
[2, 4000] loss: 1.379
[2, 6000] loss: 1.359
[2, 8000] loss: 1.329
[2, 10000] loss: 1.309
[2, 12000] loss: 1.299
Finished Training
快速保存好我们训练的模型
PATH = './cifar_net.pth'
torch.save(net.state_dict(),PATH)
我们已经在训练集上训练了2次网络,但是我们需要检查网络有没有学到东西
网络的输出作为预测的类标签,检查它和真实值之间的差距,如果预测正确,我们将样本添加到正确预测的列表中
第一步,展示测试集的图片熟悉下内容
dataiter = iter(testloader)
images,labels = dataiter.next()
# 输出图片
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
print('GroundTruth: ', ' '.join(f'{classes[labels[j]]:5s}' for j in range(4)))
GroundTruth: cat ship ship plane
接下来,加载回存储过的模型(注意:存储并且再加载模型不是必要的步骤,这里这是说明如何做)
net = Net()
net.load_state_dict(torch.load(PATH))
现在,让我们来看看神经网络认为以上图片是什么
outputs = net(images)
输出10个标签的概率,一个类别的概率越大,神经网络越认为它是这个类别,所以我们得到最高概率的标签
_, predicted = torch.max(outputs, 1)
print('Predicted: ', ' '.join(f'{classes[predicted[j]]:5s}'
for j in range(4)))
Predicted: cat car car plane
结果看起来不错
让我们看看在整个数据集上网络的表现效果
# 网络在整个数据集上的表现效果
correct = 0
total = 0
# 不训练,就不需要计算输出的梯度
with torch.no_grad():
images,labels = data
# 将图片传进网络计算输出
outputs = net(images)
# 在哪个类别上概率最高,就是预测的类别结果
_,predicted = torch.max(outputs.data,1)
total += labels.size(0)
correct = (predicted==labels).sum().item()
print(f"神经网络在10000条测试图像上的准确率为:{100 * correct // total}%")
Accuracy of the network on the 10000 test images: 54 %
结果看起来比随机猜测效果要好,因为随机猜测的准确率是10%,网络似乎学到了一些东西
在哪些类上的预测效果比较好,哪些不好呢?
# prepare to count predictions for each class
correct_pred = {classname: 0 for classname in classes}
total_pred = {classname: 0 for classname in classes}
# again no gradients needed
with torch.no_grad():
for data in testloader:
images, labels = data
outputs = net(images)
_, predictions = torch.max(outputs, 1)
# collect the correct predictions for each class
for label, prediction in zip(labels, predictions):
if label == prediction:
correct_pred[classes[label]] += 1
total_pred[classes[label]] += 1
# print accuracy for each class
for classname, correct_count in correct_pred.items():
accuracy = 100 * float(correct_count) / total_pred[classname]
print(f'Accuracy for class: {classname:5s} is {accuracy:.1f} %')
Accuracy for class: plane is 54.2 %
Accuracy for class: car is 85.1 %
Accuracy for class: bird is 41.1 %
Accuracy for class: cat is 33.9 %
Accuracy for class: deer is 38.7 %
Accuracy for class: dog is 55.8 %
Accuracy for class: frog is 66.7 %
Accuracy for class: horse is 70.5 %
Accuracy for class: ship is 55.3 %
Accuracy for class: truck is 44.6 %
如何在GPU上训练神经网络呢?
就像是如何把一个tensor转换到GPU上,也同样把神经网络转换到GPU上
如果我们有可用的CUDA,首先将我们的设备定义为一个可用的CUDA设备
device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
# 假设我们在CUDA机器上,应该打印一个CUDA设备
print(device)
cuda:0
下面的device
就是一个CUDA设备
然后,这些方法将递归遍历所有模块,并且将它们的参数和缓冲区转换成CUDA tensor
net.to(device)
# 必须在每个步骤中将输入和目标发送到GPU
inputs,labels = data[0].to(device),data[1].to(device)
为什么没注意到和CPU相比要较大的速度提升呢?因为模型太小了。
实践练习:
尝试提升网络的宽度(第一个nn.Conv2d
的第二个参数,第二个nn.Conv2d
的第一个参数,它们应该是相同的数字),看看你得到了什么样的加速
已实现目标:
如果你希望使用所有的GPU来获得更大的加快速度,请看选读:数据并行