basic CNN

回顾

下面这种由线形层构成的网络是全连接网络。

对于图像数据而言，卷积神经网络更常用。

卷积神经网络

通过二维卷积可以实现图像特征的自动提取，卷积输出的称为特征图；特征提取之后可以通过全连接层构造分类器进行分类。

• 特征提取
  • 卷积
  • 池化
• 分类
  • 展开
  • 全连接
    
    在卷积神经网络里面，我们会把输入图片划分成一个个的小格子（cell）
    

卷积

图像中不同数据窗口的数据和卷积核作内积的操作叫做卷积，本质是提取图像不同频段的特征。和图像处理中的高斯模糊核原理一样。

卷积核

• 带着一组固定权重的神经元，可以用来提取特定的特征（例如可以提取物体轮廓、颜色深浅等）
• 卷积核大小：3x3，5x5，7x7
• 卷积核的通道数与被卷积的图片通道数相同

卷积过程

输入为3通道的卷积计算过程如下：

n通道输入的卷积：

如果想要输出通道为M，则需要M个卷积核：

注意：卷积核的通道要求和输入通道一样；卷积核的个数要求和输出通道数一样。

卷积后图像尺寸计算公式：

代码

import torch
in_channels,out_channels=5,10
width,height=100,100
kernel_size=3
batch_size=1

input = torch.randn(batch_size,in_channels,width,height)#生成0-1正态分布
conv_layer=torch.nn.Conv2d(in_channels,out_channels,kernel_size=kernel_size)
output=conv_layer(input)

print(input.shape)
print(output.shape)
print(conv_layer.weight.shape)

结果：

torch.Size([1, 5, 100, 100])
torch.Size([1, 10, 98, 98])
torch.Size([10, 5, 3, 3])

padding

进行卷积之后，图像大小（W、H）可能会发生改变；生成的特征图大小不是我们想要的，比如说我们希望特征图大小在卷积之后不发生变化；那么可以使用padding在输入图像像素周围进行填充，padding=1就是填充一圈0.

代码

import torch
in_channels,out_channels=5,10
width,height=100,100
kernel_size=3
batch_size=1
input=[3,4,6,5,7,
       2,4,6,8,2,
       1,6,7,8,4,
       9,7,4,6,2,
       3,7,5,4,1]
input=torch.Tensor(input).view(1,1,5,5)
conv_layer=torch.nn.Conv2d(1,1,kernel_size=3,padding=1,bias=False)#paddings=1(扩充一圈）相当于扩充原来矩阵维数，比如4*4，变成5*5
kernel=torch.Tensor([1,2,3,4,5,6,7,8,9]).view(1,1,3,3)
conv_layer.weight.data=kernel.data
output=conv_layer(input)

print(output)

结果：

ensor([[[[ 91., 168., 224., 215., 127.],
          [114., 211., 295., 262., 149.],
          [192., 259., 282., 214., 122.],
          [194., 251., 253., 169.,  86.],
          [ 96., 112., 110.,  68.,  31.]]]], grad_fn=<ConvolutionBackward0>)

Stride

Stride：步长。卷积核每次移动的cell距离

• Stride=1：每次移动一格
• Stride=2：每次移动两格
  
  

代码

import torch
in_channels,out_channels=5,10
width,height=100,100
kernel_size=3
batch_size=1
input=[3,4,6,5,7,
       2,4,6,8,2,
       1,6,7,8,4,
       9,7,4,6,2,
       3,7,5,4,1]
input=torch.Tensor(input).view(1,1,5,5)
conv_layer=torch.nn.Conv2d(1,1,kernel_size=3,stride=2,bias=False)#stride=2
kernel=torch.Tensor([1,2,3,4,5,6,7,8,9]).view(1,1,3,3)
conv_layer.weight.data=kernel.data
output=conv_layer(input)
print(output)

结果：

tensor([[[[211., 262.],
          [251., 169.]]]], grad_fn=<ConvolutionBackward0>)

MaxPooling

MaxPooling：下采样，图片W、H会缩小为原来的一半。（默认情况下，kernel=2，stride=2）

代码

import torch
in_channels,out_channels=5,10
width,height=100,100
kernel_size=3
batch_size=1
input1 = [3,4,6,5,
          2,4,6,8,
          1,6,7,8,
          9,7,4,6,]


input1 = torch.Tensor(input1).view(1, 1, 4, 4)
maxpooling_layer=torch.nn.MaxPool2d(kernel_size=2)#默认kernei_size=2
output1=maxpooling_layer(input1)
print(output1)

结果：

tensor([[[[4., 8.],
          [9., 8.]]]])

一个简单的卷积神经网络

用卷积神经网络来对MINIST数据集进行分类

模型部分代码：

class Net(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1=torch.nn.Conv2d(1,10,kernel_size=5)
        self.conv2=torch.nn.Conv2d(10,20,kernel_size=5)
        self.pooling=torch.nn.MaxPool2d(2)
        self.fc=torch.nn.Linear(320,10)

    def forward(self,x):
        # Flatten data from (n, 1, 28, 28) to (n, 784)
        batch_size=x.size(0)
        x=F.relu(self.pooling(self.conv1(x)))
        x=F.relu(self.pooling(self.conv2(x)))
        x=x.view(batch_size,-1)#flatten
        x=self.fc(x)
        return x

model=Net()

在之前的代码里改一下模型部分就可以了。
请自己尝试改一下，并且输出loss曲线！

如何使用GPU

1. 定义devicedevice = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
2. 将所有模型的parameters and buffers转化为CUDA Tensor.model.to(device)
3. 将数据送到GPU上inputs,target=inputs.to(device),target.to(device)

代码

import numpy as np
import torch
import matplotlib.pyplot as plt
from torch.utils.data import DataLoader #For constructing DataLoader
from torchvision import transforms #For constructing DataLoader
from torchvision import datasets #For constructing DataLoader
import torch.nn.functional as F #For using function relu()

batch_size=64
transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),#Convert the PIL Image to Tensor.
                              transforms.Normalize((0.1307,),(0.3081,))])#The parameters are mean and std respectively.

train_dataset = datasets.MNIST(root='dataset',train=True,transform=transform,download=True)
test_dataset = datasets.MNIST(root='dataset',train=False,transform=transform,download=True)
train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset,batch_size=batch_size,shuffle=True)
test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset,batch_size=batch_size,shuffle=False)


class Net(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1=torch.nn.Conv2d(1,10,kernel_size=5)
        self.conv2=torch.nn.Conv2d(10,20,kernel_size=5)
        self.pooling=torch.nn.MaxPool2d(2)
        self.fc=torch.nn.Linear(320,10)

    def forward(self,x):
        # Flatten data from (n, 1, 28, 28) to (n, 784)
        batch_size=x.size(0)
        x=F.relu(self.pooling(self.conv1(x)))
        x=F.relu(self.pooling(self.conv2(x)))
        x=x.view(batch_size,-1)#flatten
        x=self.fc(x)
        return x

model=Net()

#device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
#定义device，如果有GPU就用GPU，否则用CPU

#model.to(device)
# 将所有模型的parameters and buffers转化为CUDA Tensor.

criterion=torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer=torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=0.01,momentum=0.5)
def train(epoch):
    running_loss=0.0
    for batch_id,data in enumerate(train_loader,0):
        inputs,target=data
        #inputs,target=inputs.to(device),target.to(device)
        #将数据送到GPU上
        optimizer.zero_grad()

        # forward + backward + update

        outputs=model(inputs)
        loss=criterion(outputs,target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        running_loss +=loss.item()
        if batch_id% 300==299:
            print('[%d,%5d] loss: %.3f' % (epoch+1,batch_id,running_loss/300))
            running_loss=0.0


accracy = []
def test():
    correct=0
    total=0
    with torch.no_grad():
        for data in test_loader:
            inputs,target=data
            #inputs,target=inputs.to(device),target.to(device)
            #将数据送到GPU上
            outputs=model(inputs)
            predicted=torch.argmax(outputs.data,dim=1)
            total+=target.size(0)
            correct+=(predicted==target).sum().item()
    print('Accuracy on test set : %d %% [%d/%d]'%(100*correct/total,correct,total))
    accracy.append([100*correct/total])

if __name__ == '__main__':
    for epoch in range(10):
        train(epoch)
        test()

    x=np.arange(10)
    plt.plot(x, accracy)
    plt.xlabel("Epoch")
    plt.ylabel("Accuracy")
    plt.grid()
    plt.show()

训练结果：

如果使用了GPU，可以查看GPU利用率，被占用就说明跑起来了

练习

使用MINIST数据集构建更为复杂的卷积神经网络进行分类，要求conv、relu、maxpooling、linear层都使用三个，参数自己调整，比较一下训练结果。