Pytorch从零开始实战02

Pytorch从零开始实战——彩色图像识别

本系列来源于365天深度学习训练营

原作者K同学

环境准备

本文基于Jupyter notebook，使用Python3.8，Pytorch2.0.1+cu118，torchvision0.15.2，需读者自行配置好环境且有一些深度学习理论基础。
老规矩，还是导入常用包

import torch
import torch.nn as nn
import matplotlib.pyplot as plt
import torchvision
import torch.nn.functional as F
import random
from time import time
import random
import numpy as np
import pandas as pd
import datetime
import gc
import os
os.environ['KMP_DUPLICATE_LIB_OK']='True'  # 用于避免jupyter环境突然关闭
torch.backends.cudnn.benchmark=True  # 用于加速GPU运算的代码

创建设备对象

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
device

设置随机数种子

torch.manual_seed(428)
torch.cuda.manual_seed(428)
torch.cuda.manual_seed_all(428)
random.seed(428)
np.random.seed(428)

数据集

本文使用CIFAR-10数据集，CIFAR-10数据集包含60000张 32x32的彩色图片，共分为10种类别，每种类别6000张。其中训练集包含50000张图片，测试机包含10000张图片。
我们使用torchvision.datasets下载数据集。

train_ds = torchvision.datasets.CIFAR10('data', train=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)
test_ds = torchvision.datasets.CIFAR10('data', train=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)

随机展示五张图片，下面这个函数是从别人那里抄的，挺好用的。

def plotsample(data):
    fig, axs = plt.subplots(1, 5, figsize=(10, 10)) #建立子图
    for i in range(5):
        num = random.randint(0, len(data) - 1) #首先选取随机数，随机选取五次
        #抽取数据中对应的图像对象，make_grid函数可将任意格式的图像的通道数升为3，而不改变图像原始的数据
        #而展示图像用的imshow函数最常见的输入格式也是3通道
        npimg = torchvision.utils.make_grid(data[num][0]).numpy()
        nplabel = data[num][1] #提取标签 
        #将图像由(3, weight, height)转化为(weight, height, 3)，并放入imshow函数中读取
        axs[i].imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0))) 
        axs[i].set_title(nplabel) #给每个子图加上标签
        axs[i].axis("off") #消除每个子图的坐标轴

plotsample(train_ds)

展示出现有点模糊

还是之前的套路，使用DataLoder将它按照batch_size批量划分，并将训练集顺序打乱。

batch_size = 32
train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_ds, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_ds, batch_size=batch_size, shuffle=True)

查看dataloader的一个批次

imgs, label = next(iter(train_dl))
imgs.shape # 3通道 32 * 32

模型选择

本文还是使用自定义简单的卷积神经网络，下面是两个函数原型，卷积函数默认步幅是1，padding是0，最大池化函数默认步长跟最大池化窗口大小一致。

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)

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

最后输出的图像尺寸是2 * 2，128通道，将它们拉平，线性层需要填入512来接收。

num_classes = 10
class Model(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3)
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3)
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
        self.conv3 = nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3)
        self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2) 

        self.fc1 = nn.Linear(512, 256)
        self.fc2 = nn.Linear(256, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.pool1(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool2(F.relu(self.conv2(x)))
        x = self.pool3(F.relu(self.conv3(x)))

        x = torch.flatten(x, start_dim=1) # 从第一个维度开始拉平
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return x

使用summary查看模型，这次用的是torchsummary，展示的也不错，可以看见每层结构。

from torchsummary import summary
# 将模型转移到GPU中
model = Model().to(device)
summary(model, input_size=(3, 32, 32))

模型训练

定义损失函数、学习率、优化算法。

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
learn_rate = 0.01
opt = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learn_rate)

跟以前的文章一样，编写训练函数。

def train(dataloader, model, loss_fn, opt):
    size = len(dataloader.dataset)
    num_batches = len(dataloader)
    train_acc, train_loss = 0, 0

    for X, y in dataloader:
        X, y = X.to(device), y.to(device)
        pred = model(X)
        loss = loss_fn(pred, y)

        opt.zero_grad()
        loss.backward()
        opt.step()

        train_acc += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
        train_loss += loss.item()

    train_acc /= size
    train_loss /= num_batches
    return train_acc, train_loss

测试函数。

def test(dataloader, model, loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset)
    num_batches = len(dataloader)
    test_acc, test_loss = 0, 0
    with torch.no_grad():
        for X, y in dataloader:
            X, y = X.to(device), y.to(device)
            pred = model(X)
            loss = loss_fn(pred, y)
    
            test_acc += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
            test_loss += loss.item()

    test_acc /= size
    test_loss /= num_batches
    return test_acc, test_loss

开始训练，这次epochs设置为10轮。

import time
epochs = 10
train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []

T1 = time.time()

for epoch in range(epochs):
    model.train()
    epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, opt)
    
    model.eval() # 确保模型不会进行训练操作
    epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)
        
    train_acc.append(epoch_train_acc)
    train_loss.append(epoch_train_loss)
    test_acc.append(epoch_test_acc)
    test_loss.append(epoch_test_loss)
    
    print("epoch:%d, train_acc:%.1f%%, train_loss:%.3f, test_acc:%.1f%%, test_loss:%.3f"
          % (epoch + 1, epoch_train_acc * 100, epoch_train_loss, epoch_test_acc * 100, epoch_test_loss))
print("Done")
T2 = time.time()
print('程序运行时间:%s毫秒' % ((T2 - T1)*1000))

运行结果：在训练集上准确率达到59.7%，测试集达到59.9%，效果不是很好，说明还是欠拟合，需要未来改造模型或者增加训练轮数。

数据可视化

使用matplotlib进行训练数据、测试数据的可视化

import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")               #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif']    = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False      # 用来正常显示负号
plt.rcParams['figure.dpi']         = 100        #分辨率

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()