pytorch实现mnist手写彩色数字识别

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前言

环境：

 语言环境：Python3.6编译器：jupyter>深度学习环境：pytorch1.10

 要求：

学习如何编写一个完整的深度学习程序（✔）手动推导卷积层与池化层的计算过程（✔）

一>

环境：python3.6，1080ti，pytorch1.10（实验室服务器的环境）

1.设置GPU或者cpu

import torch
import torch.nn as nn
import matplotlib.pyplot as plt
import torchvision
 
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
 
device

2.导入数据

train_ds = torchvision.datasets.MNIST('data', 
                                      train=True, 
                                      transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 将数据类型转化为Tensor
                                      download=True)
 
test_ds  = torchvision.datasets.MNIST('data', 
                                      train=False, 
                                      transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 将数据类型转化为Tensor
                                      download=True)

二>

1.加载数据

设置数据尺寸

batch_size = 32

设置dataset

 
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)

2.可视化数据

打印部分图片：

import numpy as np
 
 # 指定图片大小，图像大小为20宽、5高的绘图(单位为英寸inch)
plt.figure(figsize=(20, 5)) 
for i, imgs in enumerate(imgs[:20]):
    # 维度缩减
    npimg = imgs.numpy().transpose((1, 2, 0))
    # 将整个figure分成2行10列，绘制第i+1个子图。
    plt.subplot(2, 10, i+1)
    plt.imshow(npimg, cmap=plt.cm.binary)
    plt.axis('off')



3.再次检查数据

输出数据的尺寸：

# 取一个批次查看数据格式
# 数据的shape为：[batch_size, channel, height, weight]
# 其中batch_size为自己设定，channel，height和weight分别是图片的通道数，高度和宽度。
imgs, labels = next(iter(train_dl))
imgs.shape



三>

import torch
from torch import nn
from torch.nn import Conv2d, MaxPool2d, Flatten, Linear, Sequential,ReLU
 
num_classes = 10 
 
class Model(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Model,self).__init__()
        # 卷积层
        self.layers = Sequential(
            # 第一层
            Conv2d(3, 64, kernel_size=3),
            MaxPool2d(2),
            ReLU(),
            # 第二层
            Conv2d(64, 64, kernel_size=3),
            MaxPool2d(2),
            ReLU(),
            Conv2d(64, 128, kernel_size=3),
            MaxPool2d(2),
            ReLU(),
            Flatten(),
            Linear(512, 256,bias=True),
            ReLU(),
            Linear(256, 64,bias=True),
            ReLU(),
            Linear(64, num_classes,bias=True)
        )
    def forward(self, x):
        x = self.layers(x)
        return x

 打印网络结构：



vgg16网络搭建：未修改尺寸

from torch import nn
 
vgg16=torchvision.models.vgg16(pretrained=True)#经过训练的
class Model(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Model,self).__init__()
        # 卷积层
        self.layers = Sequential(
            vgg16
        )
    def forward(self, x):
        x = self.layers(x)
        return x

 vgg16网络搭建：修改尺寸

四>

1.设置学习率

loss_fn    = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数
learn_rate = 1e-2 # 学习率
opt        = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=learn_rate)

2.模型训练

训练函数：

# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)  # 训练集的大小，一共60000张图片
    num_batches = len(dataloader)   # 批次数目，1875（60000/32）
 
    train_loss, train_acc = 0, 0  # 初始化训练损失和正确率

    for X, y in dataloader:  # 获取图片及其标签
        X, y = X.to(device), y.to(device)

        # 计算预测误差
        pred = model(X)          # 网络输出
        loss = loss_fn(pred, y)  # 计算网络输出和真实值之间的差距，targets为真实值，计算二者差值即为损失

        # 反向传播
        optimizer.zero_grad()  # grad属性归零
        loss.backward()        # 反向传播
        optimizer.step()       # 每一步自动更新

        # 记录acc与loss
        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)  # 测试集的大小，一共10000张图片
    num_batches = len(dataloader)          # 批次数目，313（10000/32=312.5，向上取整）
    test_loss, test_acc = 0, 0

    # 当不进行训练时，停止梯度更新，节省计算内存消耗
    with torch.no_grad():
        for imgs, target in dataloader:
            imgs, target = imgs.to(device), target.to(device)

            # 计算loss
            target_pred = model(imgs)
            loss        = loss_fn(target_pred, target)

            test_loss += loss.item()
            test_acc  += (target_pred.argmax(1) == target).type(torch.float).sum().item()
 
    test_acc  /= size
    test_loss /= num_batches
 
    return test_acc, test_loss

具体训练代码 ：

epochs     = 20
train_loss = []
train_acc  = []
test_loss  = []
test_acc   = []
 
for epoch in range(epochs):
    model.train()
    epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, opt)

    model.eval()
    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)

    template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%，Test_loss:{:.3f}')
    print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, epoch_test_acc*100, epoch_test_loss))
print('Done')



五>

1.Loss和Accuracy图



 2.总结

1.本文与上篇文章区别在于灰色图像和彩色图像通道数一个为1，一个为3.所以这里的卷积输入都是3.2.关于各层计算这里简单说一下，我们以范文举例：

卷积层：32->30因为(（32-3）/1)+1=30

池化池：30->15因为30÷2=15

具体计算可以参考我题目开头的文章，这里不在赘述

我们可以看到本次训练效果不好，那我们可以利用经典网络vgg16进行修改，准确率提高到了百分之88了。

其代码如上：



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