【我是土堆 - Pytorch教程】 知识点 学习总结笔记（三）

此文章为【我是土堆 - Pytorch教程】 知识点 学习总结笔记（三）包括：torchvision中的数据集使用、DataLoader 的使用、神经网络的基本骨架 - nn.Module 的使用、土堆说卷积操作（可选看）、 神经网络 - 卷积层、神经网络 - 最大池化的使用。

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学习系列笔记：

【我是土堆 - Pytorch教程】 知识点 学习总结笔记（一）_耿鬼喝椰汁的博客-CSDN博客

【我是土堆 - Pytorch教程】 知识点 学习总结笔记（二）_耿鬼喝椰汁的博客-CSDN博客

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目录

一、torchvision中的数据集使用

需要学习知识：

各个模块作用

CIFAR10数据集

 1.数据集如何下载

 2.数据集如何查看与使用

3.CIFAR10数据集 介绍

如何把数据集（多张图片）和 transforms 结合在一起

二、DataLoader 的使用

参数介绍

 示例 

batch_size

drop_last

shuffle

 三、神经网络的基本骨架 - nn.Module 的使用

关于神经网络的工具主要在torch.nn里 

 Containers

实战

 debug看流程 

 四. 土堆说卷积操作（可选看）

stride（步进）

卷积操作

卷积操作介绍

卷积操作实战

 padding（填充）

五、 神经网络 - 卷积层

图像为二维矩阵，所以讲解 nn.Conv2d：

 参数含义：

kernel_size 

in_channels & out_channels

CIFAR10数据集实例 

 卷积层 vgg16

 卷积前后维度计算公式

六、神经网络 - 最大池化的使用

参数

ceil_mode参数

输入输出维度计算公式

代码实现 

 为什么要进行最大池化？最大池化的作用是什么？

用数据集 CIFAR10 实现最大池化

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一、torchvision中的数据集使用

需要学习知识：

• 1. 如何把数据集（多张图片）和 transforms 结合在一起。
• 2. 标准数据集如何下载、查看、使用。

 进入torchvision后左上角选择0.9.0版本，就与视频中页面一致啦！

 网站地址：torchvision-0.9.0

各个模块作用

（1）torchvision.datasets

如：COCO 目标检测、语义分割；MNIST 手写文字；CIFAR 物体识别

（2）torchvision.io

 输入输出模块，不常用

（3）torchvision.models

提供一些比较常见的神经网络，有的已经预训练好，比较重要，后面会使用到，如分类模型、语义分割模型、目标检测、视频分类等

（4）torchvision.ops

torchvision提供的一些比较少见的特殊的操作，基本不常用

（5）torchvision.transforms

之前讲解过

（6）torchvision.utils

提供一些常用的小工具，如TensorBoard

本节主要讲解torchvision.datasets，以及它如何跟transforms联合使用 

CIFAR10数据集

 1.数据集如何下载

#如何使用torchvision提供的标准数据集
import torchvision
 
train_set=torchvision.datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=True,download=True) #root使用相对路径，会在该.py所在位置创建一个叫dataset的文件夹，同时把数据保存进去。用Ctrl加P查看需要参数。
test_set=torchvision.datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=False,download=True)
 

运行结果：

 数据集下载过慢时：

       获得下载链接后，把下载链接放到迅雷中，会首先下载压缩文件tar.gz，之后会对该压缩文件进行解压，里面会有相应的数据集。

      采用迅雷下载完毕后，在PyCharm里新建directory，名字也叫dataset，再将下载好的压缩包复制进去，download依然为True，运行后，会自动解压该数据

 2.数据集如何查看与使用

import torchvision
 
train_set=torchvision.datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=True,download=True)
test_set=torchvision.datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=False,download=True)
 
print(test_set[0])  # 查看测试集中的第一个数据，是一个元组：(img, target)
print(test_set.classes)  # 列表

img,target = test_set[0]
print(img)
print(target)  # 输出：3。输出为列表第几个类别。从0开始数，这里类别为cat列表第四个
print(test_set.classes[target])  # cat
img.show()

结果弹出图片

3.CIFAR10数据集 介绍

       CIFAR10 数据集包含了6万张32×32像素的彩色图片，图片有10个类别，每个类别有6千张图像，其中有5万张图像为训练图片，1万张为测试图片。

如何把数据集（多张图片）和 transforms 结合在一起

CIFAR10数据集原始图片是PIL Image，如果要给pytorch使用，需要转为tensor数据类型（转成tensor后，就可以用tensorboard了）

transforms 更多地是用在 datasets 里 transform 的选项中

import torchvision
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
 
#把dataset_transform运用到数据集中的每一张图片，都转为tensor数据类型
dataset_transform = torchvision.transforms.Compose([
    torchvision.transforms.ToTensor()
])
 
train_set=torchvision.datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=True,transform=dataset_transform,download=True) #root使用相对路径，会在该.py所在位置创建一个叫dataset的文件夹，同时把数据保存进去
test_set=torchvision.datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=False,transform=dataset_transform,download=True)
 
# print(test_set[0])
 
writer = SummaryWriter("p10")
#显示测试数据集中的前10张图片
for i in range(10):
    img,target = test_set[i]
    writer.add_image("test_set",img,i)  # img已经转成了tensor类型
 
writer.close()

运行后在 terminal 里输入

tensorboard --logdir="p10"

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二、DataLoader 的使用

• dataset：告诉程序中数据集的位置，数据集中索引，数据集中有多少数据（想象成一叠扑克牌）
• dataloader：加载器，将数据加载到神经网络中，每次从dataset中取数据，通过dataloader中的参数可以设置如何取数据（想象成抓的一组牌）

torch.utils.data — PyTorch 2.0 documentation

参数介绍

参数如下（大部分有默认值，实际中只需要设置少量的参数即可）：

• dataset：只有dataset没有默认值，只需要将之前自定义的dataset实例化，再放到dataloader中即可 
• batch_size：每次抓牌抓几张
• shuffle：打乱与否，值为True的话两次打牌时牌的顺序是不一样。默认为False，但一般用True
• num_workers：加载数据时采用单个进程还是多个进程，多进程的话速度相对较快，默认为0（主进程加载）。Windows系统下该值>0会有问题（报错提示：BrokenPipeError）
• drop_last：100张牌每次取3张，最后会余下1张，这时剩下的这张牌是舍去还是不舍去。值为True代表舍去这张牌、不取出，False代表要取出该张牌

 示例 

import torchvision
from torch.utils.data import DataLoader

#准备的测试数据集
test_data = torchvision.datasets.CIFAR10("dataset",train=False,transform=torchvision.transforms.ToTensor)

test_loader = DataLoader(dataset=test_data,batch_size=4,shuffle=True,num_workers=0,drop_last=False)

#测试数据集中第一张图片及target
img,target = test_data[0]
print(img.shape)
print(target)

输出结果：

torch.Size([3, 32, 32])   #三通道，32×32大小
3   #类别为3

dataset 

• __getitem()__：return img，target

dataloader(batch_size=4)：从dataset中取4个数据

• img0，target0 = dataset[0]
• img1，target1 = dataset[1]
• img2，target2 = dataset[2]
• img3，target3 = dataset[3]

把 img 0-3 进行打包，记为imgs；target 0-3 进行打包，记为targets；作为dataloader中的返回

for data in test_loader:
    imgs,targets = data
    print(imgs.shape)
    print(targets)

输出：

torch.Size([4, 3, 32, 32])   #4张图片，三通道，32×32
tensor([0, 4, 4, 8])  #4个target进行一个打包

数据是随机取的（断点debug一下，可以看到采样器sampler是随机采样的），所以两次的 target 0 并不一样

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batch_size

# 用上节课torchvision提供的自定义的数据集
# CIFAR10原本是PIL Image，需要转换成tensor
 
import torchvision.datasets
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
 
# 准备的测试数据集
test_data = torchvision.datasets.CIFAR10("./dataset",train=False,transform=torchvision.transforms.ToTensor())
 
# 加载测试集
test_loader = DataLoader(dataset=test_data,batch_size=64,shuffle=True,num_workers=0,drop_last=False)
#batch_size=4，意味着每次从test_data中取4个数据进行打包
 
writer = SummaryWriter("dataloader")
step=0
for data in test_loader:
    imgs,targets = data  #imgs是tensor数据类型
    writer.add_images("test_data",imgs,step)
    step=step+1
 
writer.close()

运行后在 terminal 里输入：

 tensorboard --logdir="dataloader"

运行结果如图，滑动滑块即是每一次取数据时的batch_size张图片：

 由于 drop_last 设置为 False，所以最后16张图片（没有凑齐64张）显示如下：

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drop_last

若将 drop_last 设置为 True，最后16张图片（step 156）会被舍去，结果如图：

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shuffle

         一个 for data in test_loader 循环，就意味着打完一轮牌（抓完一轮数据），在下一轮再进行抓取时，第二次数据是否与第一次数据一样。值为True的话，会重新洗牌（一般都设置为True）

shuffle为False的话两轮取的图片是一样的

在外面再套一层 for epoch in range(2) 的循环

# shuffle为True
for epoch in range(2):
    step=0
    for data in test_loader:
        imgs,targets = data  #imgs是tensor数据类型
        writer.add_images("Epoch:{}".format(epoch),imgs,step)
        step=step+1

结果如下：

可以看出两次 step 155 的图片不一样

 三、神经网络的基本骨架 - nn.Module 的使用

Pytorch官网左侧：Python API（相当于package，提供了一些不同的工具）

关于神经网络的工具主要在torch.nn里 

网站地址：torch.nn — PyTorch 1.8.1 documentation

 Containers

Containers 包含6个模块：

• Module
• Sequential
• ModuleList
• ModuleDict
• ParameterList
• ParameterDict

其中最常用的是 Module 模块（为所有神经网络提供基本骨架）

CLASS torch.nn.Module  #搭建的 Model都必须继承该类

模板： 

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
 
class Model(nn.Module):   #搭建的神经网络 Model继承了 Module类（父类）
    def __init__(self):   #初始化函数
        super(Model, self).__init__()   #必须要这一步，调用父类的初始化函数
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 20, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(20, 20, 5)
 
    def forward(self, x):   #前向传播（为输入和输出中间的处理过程），x为输入
        x = F.relu(self.conv1(x))   #conv为卷积，relu为非线性处理
        return F.relu(self.conv2(x))

代码中比较重要：

前向传播 forward（在所有子类中进行重写）

反向传播 backward

实战

先介绍pycharm的实用工具

使用 Code —> Generate —> Override Methods  可以自动补全代码

 例子：

import torch
from torch import nn
 
 
class Tudui(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
 
    # def __init__(self):
    #     super(Tudui, self).__init__()
 
    def forward(self,input):
        output = input + 1
        return output
 
tudui = Tudui()   #拿Tudui模板创建出的神经网络
x = torch.tensor(1.0)  #将1.0这个数转换成tensor类型
output = tudui(x)
print(output)

结果如下：

 debug看流程 

在下列语句前打断点：

tudui = Tudui()   #整个程序的开始

然后点击蜘蛛，点击 Step into My Code，可以看到代码每一步的执行过程

 四. 土堆说卷积操作（可选看）

这节来讲解卷积层 ：Convolution Layers

先进入pytorch官方网站地址：torch.nn — PyTorch 1.8.1 documentation

主要讲解 nn.Conve2d ，pytorch官方网站地址：Conv2d — PyTorch 1.8.1 documentation

torch.nn 和 torch.nn.functional 的区别：前者是后者的封装，更利于使用

点击 torch.nn.functional - Convolution functions - conv2d 查看参数

stride（步进）

可以是单个数，或元组（sH,sW） — 控制横向步进和纵向步进

卷积操作

卷积操作介绍

当 stride = 2 时，横向和纵向都是2，输出是一个2×2的矩阵 

卷积操作实战

要求输入的维度 & reshape函数

• input：尺寸要求是batch，几个通道，高，宽（4个参数）
• weight：尺寸要求是输出，in_channels（groups一般为1），高，宽（4个参数）

使用 torch.reshape 函数，将输入改变为要求输入的维度

实现上图代码

import torch
import torch.nn.functional as F
 
input =torch.tensor([[1,2,0,3,1],
                     [0,1,2,3,1],
                     [1,2,1,0,0],
                     [5,2,3,1,1],
                     [2,1,0,1,1]])   #将二维矩阵转为tensor数据类型
# 卷积核kernel
kernel = torch.tensor([[1,2,1],
                       [0,1,0],
                       [2,1,0]])
 
# 尺寸只有高和宽，不符合要求
print(input.shape)  #5×5
print(kernel.shape)  #3×3
 
# 尺寸变换为四个数字
input = torch.reshape(input,(1,1,5,5))  #通道数为1，batch大小为1
kernel = torch.reshape(kernel,(1,1,3,3))
print(input.shape)
print(kernel.shape)
 
output = F.conv2d(input,kernel,stride=1)  # .conv2d(input:Tensor, weight:Tensor, stride)
print(output)

输出结果为：

当将步进 stride 改为 2 时： 

output2 = F.conv2d(input,kernel,stride=2)
print(output2)

 padding（填充）

在输入图像左右两边进行填充，决定填充有多大。可以为一个数或一个元组（分别指定高和宽，即纵向和横向每次填充的大小）。默认情况下不进行填充

padding=1：将输入图像左右上下两边都拓展一个像素，空的地方默认为0

代码实现：  

output3 = F.conv2d(input,kernel,stride=1,padding=1)
print(output3)

五、 神经网络 - 卷积层

pytorch官网网站卷积层（Convolution Layers）：Convolution Layers

nn.Conv1d 一维卷积

Applies a 1D convolution over an input signal composed of several input planes.

nn.Conv2d 二维卷积

Applies a 2D convolution over an input signal composed of several input planes.

nn.Conv3d 三维卷积

Applies a 3D convolution over an input signal composed of several input planes.

图像为二维矩阵，所以讲解 nn.Conv2d：

Conv2d — PyTorch 1.10 documentation

CLASS torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True, padding_mode='zeros', device=None, dtype=None)
 
# in_channels 输入通道数
# out_channels 输出通道数
# kernel_size 卷积核大小 
#以上参数需要设置
 
#以下参数提供了默认值
# stride=1 卷积过程中的步进大小
# padding=0 卷积过程中对原始图像进行padding的选项
# dilation=1 每一个卷积核对应位的距离
# groups=1 一般设置为1，很少改动，改动的话为分组卷积
# bias=True 通常为True，对卷积后的结果是否加减一个常数的偏置
# padding_mode='zeros' 选择padding填充的模式

 参数含义：

                                        （ dilation 叫空洞卷积）

动图（演示地址）： conv_arithmetic/README.md at master · vdumoulin/conv_arithmetic · GitHub

kernel_size 

定义了一个卷积核的大小，若为3则生成一个3×3的卷积核

• 卷积核的参数是从一些分布中进行采样得到的
• 实际训练过程中，卷积核中的值会不断进行调整

in_channels & out_channels

• in_channels：输入图片的channel数（彩色图像 in_channels 值为3）
• out_channels：输出图片的channel数

in_channels 和 out_channels 都为 1 时，拿一个卷积核在输入图像中进行卷积

out_channels 为 2 时，卷积层会生成两个卷积核（不一定一样），得到两个输出，叠加后作为最后输出

CIFAR10数据集实例 

# CIFAR10数据集
import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.nn import Conv2d
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
 
dataset = torchvision.datasets.CIFAR10("../data",train=False,transform=torchvision.transforms.ToTensor(),download=True)  # 这里用测试数据集，因为训练数据集太大了
dataloader = DataLoader(dataset,batch_size=64)
 
# 搭建神经网络Tudui
class Tudui(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Tudui, self).__init__()
        # 因为是彩色图片，所以in_channels=3
        self.conv1 = Conv2d(in_channels=3,out_channels=6,kernel_size=3,stride=1,padding=0)   #卷积层conv1
    def forward(self,x):  #输出为x
        x = self.conv1(x)
        return x
 
tudui = Tudui()  # 初始化网络
# 打印一下网络结构
print(tudui)   #Tudui((conv1): Conv2d(3, 6, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1)))
 
writer = SummaryWriter("../logs")
step = 0
for data in dataloader:
    imgs,targets = data  #经过ToTensor转换，成为tensor数据类型，可以直接送到网络中
    output = tudui(imgs)
    print(imgs.shape)     #输入大小 torch.Size([64, 3, 32, 32])  batch_size=64，in_channels=3（彩色图像），每张图片是32×32的
    print(output.shape)   #经过卷积后的输出大小 torch.Size([64, 6, 30, 30])  卷积后变成6个channels，但原始图像减小，所以是30×30的
    writer.add_images("input",imgs,step)
    
    # 6个channel无法显示。torch.Size([64, 6, 30, 30]) ——> [xxx,3,30,30] 第一个值不知道为多少时写-1，会根据后面值的大小进行计算
    output = torch.reshape(output,(-1,3,30,30))
    writer.add_images("output",output,step)
    step = step + 1

运行后（如果没启用环境），在 Terminal 里启动 pytorch 环境：

conda activate pytorch

打开 tensorboard：

tensorboard --logdir=logs

打开网址（卷积后得到的输出）

 卷积层 vgg16

 卷积前后维度计算公式

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六、神经网络 - 最大池化的使用

池化层网站地址：torch.nn — PyTorch 1.8.1 documentation

• MaxPool：最大池化（下采样）
• MaxUnpool：上采样
• AvgPool：平均池化
• AdaptiveMaxPool2d：自适应最大池化

最常用：MaxPool2d — PyTorch 1.8.1 documentation

参数

CLASS torch.nn.MaxPool2d(kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False, ceil_mode=False)
# kernel_size 池化核

（ 注意，卷积中stride默认为1，而池化中stride默认为kernel_size ）

ceil_mode参数

 Ceil_mode 默认情况下为 False，对于最大池化一般只需设置 kernel_size 即可 

输入输出维度计算公式

代码实现 

上述图用代码实现：（以 Ceil_mode = True 为例）

import torch
from torch import nn
from torch.nn import MaxPool2d
 
input = torch.tensor([[1,2,0,3,1],
                      [0,1,2,3,1],
                      [1,2,1,0,0],
                      [5,2,3,1,1],
                      [2,1,0,1,1]],dtype=torch.float32)  #最大池化无法对long数据类型进行实现,将input变成浮点数的tensor数据类型
input = torch.reshape(input,(-1,1,5,5))  #-1表示torch计算batch_size
print(input.shape)
 
# 搭建神经网络
class Tudui(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Tudui, self).__init__()
        self.maxpool1 = MaxPool2d(kernel_size=3,ceil_mode=True)
    def forward(self,input):
        output = self.maxpool1(input)
        return output
 
# 创建神经网络
tudui = Tudui()
output = tudui(input)
print(output)

运行结果如下：

 Ceil_mode = False 为例运行输出：（运行结果如下：）

 为什么要进行最大池化？最大池化的作用是什么？

最大池化的目的是保留输入的特征，同时把数据量减小（数据维度变小），对于整个网络来说，进行计算的参数变少，会训练地更快，（池化最大的作用是增大感受野，让后面的卷积看到更全局的内容。）

• 如上面案例中输入是5x5的，但输出是3x3的，甚至可以是1x1的
• 类比：1080p的视频为输入图像，经过池化可以得到720p，也能满足绝大多数需求，传达视频内容的同时，文件尺寸会大大缩小

池化一般跟在卷积后，卷积层是用来提取特征的，一般有相应特征的位置是比较大的数字，最大池化可以提取出这一部分有相应特征的信息

池化不影响通道数

池化后一般再进行非线性激活

用数据集 CIFAR10 实现最大池化

代码如下：

import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.nn import MaxPool2d
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
 
dataset = torchvision.datasets.CIFAR10("../data",train=False,download=True,transform=torchvision.transforms.ToTensor())
dataloader = DataLoader(dataset,batch_size=64)
 
# 搭建神经网络
class Tudui(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Tudui, self).__init__()
        self.maxpool1 = MaxPool2d(kernel_size=3,ceil_mode=True)
    def forward(self,input):
        output = self.maxpool1(input)
        return output
 
# 创建神经网络
tudui = Tudui()
 
writer = SummaryWriter("../logs_maxpool")
step = 0
for data in dataloader:
    imgs,targets = data
    writer.add_images("input",imgs,step)
    output = tudui(imgs)  #output尺寸池化后不会有多个channel，原来是3维的图片，经过最大池化后还是3维的，不需要像卷积一样还要reshape操作（影响通道数的是卷积核个数）
    writer.add_images("output",output,step)
    step = step + 1
 
writer.close()

运行后在 terminal 里输入（注意是在pytorch环境下）：

tensorboard --logdir=logs_maxpool

打开网址：

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这篇课程的学习和总结到这里就结束啦，如果有什么问题可以在评论区留言呀~

如果帮助到大家，可以一键三连+关注支持下~

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 学习系列笔记：

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