【构建卷积神经网络】

构建卷积神经网络

• 卷积网络中的输入和层与传统神经网络有些区别，需重新设计，训练模块基本一致

全连接层：batch784，各个像素点之间都是没有联系的。
卷积层：batch12828，各个像素点之间是有联系的。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torch.nn.functional as F
from torchvision import datasets,transforms 
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
%matplotlib inline

首先读取数据

• 分别构建训练集和测试集（验证集）
• DataLoader来迭代取数据

# 定义超参数 
input_size = 28  #图像的总尺寸28*28
num_classes = 10  #标签的种类数
num_epochs = 3  #训练的总循环周期
batch_size = 64  #一个撮（批次）的大小，64张图片

# 训练集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data',  
                            train=True,   
                            transform=transforms.ToTensor(),  
                            download=True) 

# 测试集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', 
                           train=False, 
                           transform=transforms.ToTensor())

# 构建batch数据
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset, 
                                           batch_size=batch_size, 
                                           shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset, 
                                           batch_size=batch_size, 
                                           shuffle=True)

卷积网络模块构建

• 一般卷积层，relu层，池化层可以写成一个套餐
• 注意卷积最后结果还是一个特征图，需要把图转换成向量才能做分类或者回归任务

图像是二维卷积 conv2
视频是三维卷积 conv3
单向量是一维卷积 conv1
官网有关conv2d的输出宽度和长度的计算公式

class CNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(CNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Sequential(         # 输入大小 (1, 28, 28)
            nn.Conv2d(
                in_channels=1,              # 1：灰度图；3：RGB
                out_channels=16,            # 要得到几多少个特征图,即是卷积核的个数 
                kernel_size=5,              # 卷积核大小
                stride=1,                   # 步长
                padding=2,                  # 如果希望卷积后大小跟原来一样，需要设置padding=(kernel_size-1)/2 if stride=1
            ),                              # 输出的特征图为 (16, 28, 28)
            nn.ReLU(),                      # relu层
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2),    # 进行池化操作（2x2 区域）, 输出结果为： (16, 14, 14)
        )
        self.conv2 = nn.Sequential(         # 下一个套餐的输入 (16, 14, 14)
            nn.Conv2d(16, 32, 5, 1, 2),     # 输出 (32, 14, 14)
            nn.ReLU(),                      # relu层
            nn.Conv2d(32, 32, 5, 1, 2),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2),                # 输出 (32, 7, 7)
        )
        
        self.conv3 = nn.Sequential(         # 下一个套餐的输入 (32, 7, 7)
            nn.Conv2d(32, 64, 5, 1, 2),     # 输出 (64, 7, 7)
            nn.ReLU(),             # 输出 (64, 7, 7)
        )
        
        self.out = nn.Linear(64 * 7 * 7, 10)   # 全连接层得到的结果

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)           # flatten操作，结果为：(batch_size, 64 * 7 * 7)
        output = self.out(x)
        return output

准确率作为评估标准

def accuracy(predictions, labels):
    pred = torch.max(predictions.data, 1)[1] 
    rights = pred.eq(labels.data.view_as(pred)).sum() 
    return rights, len(labels) 

训练网络模型

# 实例化
net = CNN() 
#损失函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss() 
#优化器
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001) #定义优化器，普通的随机梯度下降算法

#开始训练循环
for epoch in range(num_epochs):
    #当前epoch的结果保存下来
    train_rights = [] 
    
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):  #针对容器中的每一个批进行循环
        net.train()                             
        output = net(data) 
        loss = criterion(output, target) 
        optimizer.zero_grad() 
        loss.backward() 
        optimizer.step() 
        right = accuracy(output, target) 
        train_rights.append(right) 

    
        if batch_idx % 100 == 0: 
            
            net.eval() 
            val_rights = [] 
            
            for (data, target) in test_loader:
                output = net(data) 
                right = accuracy(output, target) 
                val_rights.append(right)
                
            #准确率计算
            train_r = (sum([tup[0] for tup in train_rights]), sum([tup[1] for tup in train_rights]))
            val_r = (sum([tup[0] for tup in val_rights]), sum([tup[1] for tup in val_rights]))

            print('当前epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\t损失: {:.6f}\t训练集准确率: {:.2f}%\t测试集正确率: {:.2f}%'.format(
                epoch, batch_idx * batch_size, len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), 
                loss.data, 
                100. * train_r[0].numpy() / train_r[1], 
                100. * val_r[0].numpy() / val_r[1]))

练习

• 再加入一层卷积，效果怎么样？
• 当前任务中为什么全连接层是3277 其中每一个数字代表什么含义