pytorch 简介及常用工具包展示

一、pytorch 简介

  • Pytorch是torch的python版本,是由Facebook开源的神经网络框架,专门针对 GPU 加速的深度神经网络(DNN)编程。Torch 是一个经典的对多维矩阵数据进行操作的张量
    (tensor )库,在机器学习和其他数学密集型应用有广泛应用。
  • Pytorch的计算图是动态的,可以根据计算需要实时改变计算图。
  • 由于Torch语言采用 Lua,导致在国内一直很小众,并逐渐被支持 Python 的 Tensorflow 抢走用户。作为经典机器学习库 Torch 的端口,PyTorch 为 Python 语言使用者提供了舒适的写代码选择。

二、pytorch 优势

  • 1.简洁:
    PyTorch的设计追求最少的封装,尽量避免重复造轮子。不像 TensorFlow 中充斥着session、graph、operation、name_scope、variable、tensor、layer等全新的概念,PyTorch 的设计遵循tensor→variable(autograd)→nn.Module 三个由低到高的抽象层次,分别代表高维数组(张量)、自动求导(变量)和神经网络(层/模块),而且这三个抽象之间联系紧密,可以同时进行修改和操作。
  • 2.速度:
    PyTorch 的灵活性不以速度为代价,在许多评测中,PyTorch 的速度表现胜过 TensorFlow和Keras 等框架。
  • 3.易用:
    PyTorch 是所有的框架中面向对象设计的最优雅的一个。PyTorch的面向对象的接口设计来源于Torch,而Torch的接口设计以灵活易用而著称,Keras作者最初就是受Torch的启发才开发了Keras。
  • 4.活跃的社区:
    PyTorch 提供了完整的文档,循序渐进的指南,作者亲自维护的论坛,供用户交流和求教问题。Facebook 人工智能研究院对 PyTorch 提供了强力支持。

三、pytorch 常用工具包

  1. torch :类似 NumPy 的张量库,支持GPU;
  2. torch.autograd :基于 type 的自动区别库,支持 torch 之中的所有可区分张量运行;
  3. torch.nn :为最大化灵活性而设计,与 autograd 深度整合的神经网络库;
  4. torch.optim:与 torch.nn 一起使用的优化包,包含 SGD、RMSProp、LBFGS、Adam 等标准优化方式;
  5. torch.multiprocessing: python 多进程并发,进程之间 torch Tensors 的内存共享;
  6. torch.utils:数据载入器。具有训练器和其他便利功能;
  7. torch.legacy(.nn/.optim) :出于向后兼容性考虑,从 Torch 移植来的 legacy 代码;

四、pytorch 注意点

特别注意一个问题:
通道问题:不同视觉库对于图像读取的方式不一样,图像通道也不一样:
opencv 的 imread 默认顺序时 H * W * C
pytorch的Tensor是 C * H * W
Tensorflow是两者都支持

五、pytorch 理解

  1. numpy风格的tensor操作
    • pytorch对tensor提供的API参照了numpy
  2. 变量自动求导
    • 在计算过程形成的计算图中,参与的变量可快速计算出自己对于目标函数的梯度
  3. 神经网络求导及损失函数优化等高层封装
    • 网络层封装在torch.nn
    • 损失函数封装在torch.functional
    • 优化函数封装在torch.optim

六、pytorch-Tensor

1. tensor 数据类型

tensor数据类型:3浮点(float16,float32,float64)5整数(int16,int32,int64,int8+uint8)

Data type dtype CPU tensor GPU tensor
16-bit floating point torch.float16 or torch.half torch.HalfTensor torch.cuda.HalfTensor
32-bit floating point torch.float32 or torch.float torch.FloatTensor torch.cuda.FloatTensor
64-bit floating point torch.float64 or torch.double torch.DoubleTensor torch.cuda.DoubleTensor
Data type dtype CPU tensor GPU tensor
8-bit integer(unsigned) torch.uint8 torch.ByteTensor torch.cuda.ByteTensor
8-bit integer(signed) torch.int8 torch.CharTensor torch.cuda.CharTensor
16-bit integer(signed) torch.int16 or torch.short torch.ShortTensor torch.cuda.ShortTensor
32-bit integer(signed) torch.int32 or torch.int torch.IntTensor torch.cuda.IntTensor
64-bit integer(signed) torch.int64 or torch.long torch.LongTensor torch.cuda.LongTensor

2. 创建 tensor 相关的 API

创建tensor的常见api

方法名 说明
Tensor() 直接从参数构造张量,支持list和numpy数组
eye(row,column) 创建指定行数&列数的单位tensor(单位阵)
linspace(start,end,count) 在[s,e]上创建c个元素的一维tensor
logspace(start,end,count) 在[10s,10e]上创建c个元素的一维tensor
ones(size) 返回指定shape的tensor,元素初始值为1
zeros(size) 返回指定shape的tensor,元素初始值为0
ones_like(t) 返回一个tensor,shape与t相同,且元素初始值为1
zeros_like(t) 返回一个tensor,shape与t相同,且元素初始值为1
arange(s,e,sep) 在区间[s,e)上以间隔sep生成一个序列张量

3. tensor 对象的 API

tensor 对象的方法

方法名 作用
size() 返回张量的shape
numel() 计算tensor的元素个数
view(shape) 修改tensor的shape,与np.reshape相似,view返回的是对象的共享内存
resize 类似于view,但在size超出时会重新分配内存空间
item 若为单元素tensor,则返回python的scalar
from_numpy 从numpy数据填充
numpy 返回ndarray类型

七、python 自动求导

tensor对象通过一系列运算组成动态图,每个tensor对象都有以下几个控制求导的属性。

变量 作用
requird_grad 默认为False,表示变量是狗需要计算导数
grad_fn 变量的梯度函数
grad 变量对应的梯度

八、pytorch 神经网络

torch.nn提供了创建神经网络的基础构件,这些层都继承自Module类。下面是自己手动实现一个线性层(linear layer)。适当参考,以后直接调用现成的接口,这里稍微了解一下,无实际意义。 ​​​​

import torch

class Linear(torch.nn.Module):
    def __init__(self, in_features, out_features, bias=True):
        super(Linear, self).__init__()
        # torch.randn() 返回一个符合均值为0,方差为1的正态分布
        self.weight = torch.nn.Parameter(torch.randn(out_features, in_features))
        if bias:
            self.bias = torch.nn.Parameter(torch.randn(out_features))

    def forward(self, x):
        # xW+b
        x = x.mm(self.weight)
        if self.bias:
            x = x + self.bias.expand_as(x)
        return x

if __name__ == '__main__':
    
    net = Linear(3,2)
    x = net.forward
    print('11',x)

下面表格中列出了比较重要的神经网络层组件
对应的在nn.functional模块中,提供这些层对应的函数实现。
通常对于可训练参数的层使用module,而对于不需要训练参数的层如softmax这些,可以使用functional中的函数。

pytorch 简介及常用工具包展示_第1张图片

一些容器:

容器类型 功能
Module 神经网络模块基类
Sequential 序贯模型,类似keras,用于构建序列型神经网络
ModuleList 用于存储层,不接受输入
Parameters(t) 模块的属性,用于保存其训练参数
ParameterList 参数列表1

容器代码:

# 方法1 像
model1 = nn.Sequential()
model.add_module('fc1', nn.Linear(3,4))
model.add_module('fc2', nn.Linear(4,2))
model.add_module('output', nn.Softmax(2))

# 方法2
model2 = nn.Sequential(
          nn.Conv2d(1,20,5),
          nn.ReLU(),
          nn.Conv2d(20,64,5),
          nn.ReLU()
        )
# 方法3        
model3 = nn.ModuleList([nn.Linear(3,4), nn.ReLU(), nn.Linear(4,2)])
  • torch.nn.Module提供了神经网络的基类,当实现神经网络时需要继承自此模块,并在初始化函数中创建网络需要包含的层,并实现forward函数完成前向计算,网络的反向计算会由自动求导机制处理。
  • 通常将需要训练的层写在init函数中,将参数不需要训练的层在forward方法里调用对应的函数来实现相应的层。

编码三步走:

在pytorch中就只需要分三步:

  1. 写好网络;
  2. 编写数据的标签和路径索引;
  3. 把数据送到网络。

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