• 《动手学深度学习 Pytorch版》 6.6 卷积神经网络


    import torch
    from torch import nn
    from d2l import torch as d2l
    
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    6.6.1 LeNet

    LetNet-5 由两个部分组成:

    - 卷积编码器:由两个卷积核组成。
    - 全连接层稠密块:由三个全连接层组成。
    
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    模型结构如下流程图(每个卷积块由一个卷积层、一个 sigmoid 激活函数和平均汇聚层组成):

    全连接层(10)

    ↑ \uparrow

    全连接层(84)

    ↑ \uparrow

    全连接层(120)

    ↑ \uparrow

    2 × 2 2\times2 2×2平均汇聚层,步幅2

    ↑ \uparrow

    5 × 5 5\times5 5×5卷积层(16)

    ↑ \uparrow

    2 × 2 2\times2 2×2平均汇聚层,步幅2

    ↑ \uparrow

    5 × 5 5\times5 5×5卷积层(6),填充2

    ↑ \uparrow

    输入图像( 28 × 28 28\times28 28×28 单通道)
    net = nn.Sequential(
        nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5, padding=2), nn.Sigmoid(),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5), nn.Sigmoid(),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Flatten(),
        nn.Linear(16 * 5 * 5, 120), nn.Sigmoid(),
        nn.Linear(120, 84), nn.Sigmoid(),
        nn.Linear(84, 10))
    
    
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    X = torch.rand(size=(1, 1, 28, 28), dtype=torch.float32)  # 生成测试数据
    for layer in net:
        X = layer(X)
        print(layer.__class__.__name__,'output shape: \t',X.shape)  # 确保模型各层数据正确
    
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    Conv2d output shape: 	 torch.Size([1, 6, 28, 28])
    Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 6, 28, 28])
    AvgPool2d output shape: 	 torch.Size([1, 6, 14, 14])
    Conv2d output shape: 	 torch.Size([1, 16, 10, 10])
    Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 16, 10, 10])
    AvgPool2d output shape: 	 torch.Size([1, 16, 5, 5])
    Flatten output shape: 	 torch.Size([1, 400])
    Linear output shape: 	 torch.Size([1, 120])
    Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 120])
    Linear output shape: 	 torch.Size([1, 84])
    Sigmoid output shape: 	 torch.Size([1, 84])
    Linear output shape: 	 torch.Size([1, 10])
    
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    6.6.2 模型训练

    batch_size = 256
    train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size=batch_size)  # 仍使用经典的 Fashion-MNIST 数据集
    
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    def evaluate_accuracy_gpu(net, data_iter, device=None): #@save
        """使用GPU计算模型在数据集上的精度"""
        if isinstance(net, nn.Module):
            net.eval()  # 设置为评估模式
            if not device:
                device = next(iter(net.parameters())).device
        metric = d2l.Accumulator(2)  # 生成一个有两个元素的列表,使用 add 将会累加到对应的元素上
        with torch.no_grad():
            for X, y in data_iter:
                # 为了使用 GPU,需要将数据移动到 GPU 上
                if isinstance(X, list):
                    X = [x.to(device) for x in X]
                else:
                    X = X.to(device)
                y = y.to(device)
                metric.add(d2l.accuracy(net(X), y), y.numel())  # 累加(正确预测的数量,总预测的数量)
        return metric[0] / metric[1]  # 正确率
    
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    #@save
    def train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, device):
        """用GPU训练模型(在第六章定义)"""
        def init_weights(m):  # 使用 Xavier 初始化权重
            if type(m) == nn.Linear or type(m) == nn.Conv2d:
                nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
        net.apply(init_weights)
        print('training on', device)
        net.to(device)  # 移动数据到GPU
        optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)
        loss = nn.CrossEntropyLoss()
        animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs],
                                legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])
        timer, num_batches = d2l.Timer(), len(train_iter)
        for epoch in range(num_epochs):
            # 训练损失之和,训练准确率之和,样本数
            metric = d2l.Accumulator(3)
            net.train()
            for i, (X, y) in enumerate(train_iter):
                timer.start()
                optimizer.zero_grad()
                X, y = X.to(device), y.to(device)
                y_hat = net(X)
                l = loss(y_hat, y)
                l.backward()
                optimizer.step()
                with torch.no_grad():
                    metric.add(l * X.shape[0], d2l.accuracy(y_hat, y), X.shape[0])
                timer.stop()
                train_l = metric[0] / metric[2]
                train_acc = metric[1] / metric[2]
                if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:
                    animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,
                                 (train_l, train_acc, None))
            test_acc = evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter)
            animator.add(epoch + 1, (None, None, test_acc))
        print(f'loss {train_l:.3f}, train acc {train_acc:.3f}, '
              f'test acc {test_acc:.3f}')
        print(f'{metric[2] * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec '
              f'on {str(device)}')
    
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    lr, num_epochs = 0.9, 10
    train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
    
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    loss 0.471, train acc 0.820, test acc 0.815
    40056.7 examples/sec on cuda:0
    
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    在这里插入图片描述

    练习

    (1)将平均汇聚层替换为最大汇聚层,会发生什么?

    net_Max = nn.Sequential(
        nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5, padding=2), nn.Sigmoid(),
        nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5), nn.Sigmoid(),
        nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Flatten(),
        nn.Linear(16 * 5 * 5, 120), nn.Sigmoid(),
        nn.Linear(120, 84), nn.Sigmoid(),
        nn.Linear(84, 10))
    
    lr, num_epochs = 0.9, 10
    train_ch6(net_Max, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
    
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    loss 0.422, train acc 0.844, test acc 0.671
    31151.6 examples/sec on cuda:0
    
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    在这里插入图片描述

    几乎无区别


    (2)尝试构建一个基于 LeNet 的更复杂网络,以提高其精准性。

    a. 调节卷积窗口的大小。
    b. 调整输出通道的数量。
    c. 调整激活函数(如 ReLU)。
    d. 调整卷积层的数量。
    e. 调整全连接层的数量。
    f. 调整学习率和其他训练细节(例如,初始化和轮数)。
    
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    net_Best = nn.Sequential(
        nn.Conv2d(1, 8, kernel_size=5, padding=2), nn.ReLU(),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Conv2d(8, 16, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        nn.Flatten(),
        nn.Linear(32 * 3 * 3, 128), nn.ReLU(),
        nn.Linear(128, 64), nn.ReLU(),
        nn.Linear(64, 32), nn.ReLU(),
        nn.Linear(32, 10)
    )
    
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    lr, num_epochs = 0.4, 10
    train_ch6(net_Best, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
    
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    loss 0.344, train acc 0.869, test acc 0.854
    32868.3 examples/sec on cuda:0
    
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    在这里插入图片描述


    (3)在 MNIST 数据集上尝试以上改进后的网络。

    import torchvision
    from torch.utils import data
    from torchvision import transforms
    
    trans = transforms.ToTensor()
    mnist_train = torchvision.datasets.MNIST(
        root="../data", train=True, transform=trans, download=True)
    mnist_test = torchvision.datasets.MNIST(
        root="../data", train=False, transform=trans, download=True)
    train_iter2 = data.DataLoader(mnist_train, batch_size, shuffle=True,
                                 num_workers=d2l.get_dataloader_workers())
    test_iter2 = data.DataLoader(mnist_test, batch_size, shuffle=True,
                                num_workers=d2l.get_dataloader_workers())
    
    lr, num_epochs = 0.4, 5  # 大约 6 轮往后直接就爆炸
    train_ch6(net_Best, train_iter2, test_iter2, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
    
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    loss 0.049, train acc 0.985, test acc 0.986
    26531.1 examples/sec on cuda:0
    
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    在这里插入图片描述


    (4)显示不同输入(例如,毛衣和外套)时 LetNet 第一层和第二层的激活值。

    for X, y in test_iter:
            break
    
    x_first_Sigmoid_layer = net[0:2](X)[0:9, 1, :, :]
    d2l.show_images(x_first_Sigmoid_layer.reshape(9, 28, 28).cpu().detach(), 1, 9)
    x_second_Sigmoid_layer = net[0:5](X)[0:9, 1, :, :]
    d2l.show_images(x_second_Sigmoid_layer.reshape(9, 10, 10).cpu().detach(), 1, 9)
    d2l.plt.show()
    
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/qq_43941037/article/details/132953630