深度学习pytorch实战第P2周:CIFAR10彩色图片识别

>- **🍨 本文为[🔗365天深度学习训练营](https://mp.weixin.qq.com/s/0dvHCaOoFnW8SCp3JpzKxg) 中的学习记录博客**
>- **🍖 原作者：[K同学啊](https://mtyjkh.blog.csdn.net/)**

零、引言（温故而知新，可以为师矣）

这是·学习的第二周，

1.复习上周

首先我们要回顾以上上周的内容，温习一下，以便我们快速的将知识碎片捡起来。进行下一步学习

深度学习pytorch实战第P1周：实现mnist手写数字识别http://t.csdnimg.cn/YZome

2.摆正心态

其次，我们现在要开启第二周的学习了，摆正我们的心态，接下来可能会遇到困难，和有些不太理解的地方，不要慌，我会尽可能地在本文中讲清楚，如果还有疑问，欢迎评论留言。

3.本机环境

4.学习目标

一、前期准备

1.设置GPU

import torch
#这行代码导入了PyTorch库，它是一个开源的机器学习库，广泛用于计算机视觉和自然语言处理等领域。PyTorch提供了强大的张量计算（类似于NumPy），并且具有自动求导功能，这使得它在深度学习模型的构建和训练中非常有用。
import torch.nn as nn
#这行代码从PyTorch库中导入了nn模块，并将其重命名为nn。nn模块包含了构建神经网络所需的所有基础组件，例如不同类型的层（如卷积层、全连接层、循环层等）、激活函数、损失函数等。通过这个模块，我们可以方便地定义和实现复杂的神经网络结构。
import matplotlib.pyplot as plt
#这行代码导入了matplotlib库的pyplot模块，并将其重命名为plt。matplotlib是一个非常流行的Python绘图库，用于创建高质量的图形和图表。pyplot模块提供了MATLAB风格的接口，使得绘图变得简单直观。在深度学习中，我们经常使用matplotlib来可视化数据、模型结构或者训练过程中的损失和准确率等信息。
import torchvision
#这行代码导入了torchvision库。torchvision是PyTorch的一个扩展库，它提供了大量的用于图像处理和计算机视觉任务的工具和预训练模型。它包括常用的数据集、模型架构以及图像转换和增强的方法。torchvision使得加载和处理图像数据变得非常方便，并且可以加速计算机视觉应用的开发过程。

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

device

2.导入数据

train_ds = torchvision.datasets.CIFAR10('data', 
                                      train=True, 
                                      transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 将数据类型转化为Tensor
                                      download=True)

test_ds  = torchvision.datasets.CIFAR10('data', 
                                      train=False, 
                                      transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 将数据类型转化为Tensor
                                      download=True)

batch_size = 32
#DataLoader是PyTorch中一个非常重要的工具，它能够自动地为我们加载数据，提供了批量处理、打乱数据顺序等功能。这对于训练深度学习模型是非常有用的，因为它可以减少内存消耗，并提高计算效率。
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)
# 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

在这段代码中，我们首先设置了一个变量`batch_size`，其值为32，这意味着每个批次将包含32个图像样本。然后，我们使用`torch.utils.data.DataLoader`类创建了两个数据加载器：`train_dl`用于训练数据集，`test_dl`用于测试数据集。

`DataLoader`是PyTorch中一个非常重要的工具，它能够自动地为我们加载数据，提供了批量处理、打乱数据顺序等功能。这对于训练深度学习模型是非常有用的，因为它可以减少内存消耗，并提高计算效率。

在`DataLoader`的初始化过程中，我们传递了以下参数：
- `train_ds`和`test_ds`：分别是训练集和测试集的数据集实例。
- `batch_size`：每个批次的样本数量。
- `shuffle=True`：仅在训练数据加载器`train_dl`中设置，这意味着在每个epoch开始时，数据加载器会随机打乱训练数据的顺序。这样做有助于提高模型的泛化能力，防止模型对数据顺序产生依赖。
- `iter(train_dl)`：通过迭代数据加载器来获取一个批次的数据。`next(iter(train_dl))`是获取数据加载器中的下一个元素，即获取第一个批次的数据。

当我们执行`imgs, labels = next(iter(train_dl))`这行代码时，我们从训练数据集中获取了第一个批次的图像和标签。`imgs`是一个形状为`[batch_size, channel, height, width]`的4D张量，其中：
- `batch_size`：当前批次中的图像数量，这里是32。
- `channel`：图像的通道数，对于CIFAR-10数据集，通道数是3，因为这些图像是RGB彩色图像。
- `height`和`width`：图像的高度和宽度，CIFAR-10中的图像都是32x32像素。

`labels`是一个1D张量，包含了与`imgs`中图像对应的标签，每个标签是一个整数，表示图像所属的类别。

通过查看`imgs.shape`，我们可以确认获取的数据形状是否符合预期。实际上，由于我们已经知道CIFAR-10数据集的图像是32x32像素的RGB图像，所以`imgs`的形状应该是`[32, 3, 32, 32]`，其中32是批次大小，3是通道数，32和32分别是图像的高度和宽度。

3.数据可视化

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')
    
#plt.show()  如果你使用的是Pycharm编译器，请加上这行代码
这段代码使用了Python的`matplotlib`库和`numpy`库来显示一批图像。`matplotlib`是一个用于创建静态、动态和交互式可视化的库，而`numpy`是Python中用于科学计算的基础库，提供了对多维数组对象的支持。

让我们逐步分析代码：

1. `import numpy as np`：导入`numpy`库，并将其简称为`np`。

2. `plt.figure(figsize=(20, 5))`：创建一个新的图形窗口，设置大小为20英寸宽、5英寸高。`figsize`参数控制的是图形的尺寸，以英寸为单位。

3. `for i, imgs in enumerate(imgs[:20]):`：遍历`imgs`张量的第一个20个图像。`enumerate`函数同时返回图像的索引`i`和图像本身`imgs`。`imgs[:20]`表示我们只取前20个图像。

4. `npimg = imgs.numpy().transpose((1, 2, 0))`：将PyTorch张量`imgs`转换为NumPy数组，并使用`.transpose`方法调整数组的维度。对于图像数据，原始的维度顺序通常是`[batch_size, channels, height, width]`，而`.transpose((1, 2, 0))`将其改为`[channels, height, width, batch_size]`，这样每个图像就被放到了单独的通道维度上。

5. `plt.subplot(2, 10, i+1)`：在图形窗口中创建子图。`2`表示行数，`10`表示列数，`i+1`表示当前子图的索引（因为索引从1开始）。

6. `plt.imshow(npimg, cmap=plt.cm.binary)`：使用`imshow`函数在当前子图中显示图像。`cmap=plt.cm.binary`指定了颜色映射，`binary`表示使用黑白两色，这有助于突出图像中的边缘和细节。

7. `plt.axis('off')`：关闭坐标轴，这样图像显示得更加整洁，因为我们通常不需要在展示图像时显示坐标轴。

8. `#plt.show()`：这是一个注释掉的代码行。`plt.show()`函数用于显示图形窗口。如果你在Jupyter Notebook或其他支持交云互动式环境的平台上运行代码，取消这行代码的注释可以显示图像。如果你使用的是PyCharm或其他IDE，可能需要使用其他方式来显示图像。

需要注意的是，这段代码中的`plt.subplot(2, 10, i+1)`和`plt.imshow(npimg, cmap=plt.cm.binary)`是在一个循环中执行的，所以它会创建20个子图，每个子图显示一个图像。由于`plt.show()`被注释掉了，如果你在一个脚本中运行这段代码，你需要取消注释才能看到图像。在某些IDE中，如PyCharm，可能需要使用不同的方法来显示图像，例如使用`matplotlib`的`InlineBackend`。

二、构建简单的CNN网络

对于一般的CNN网络来说，都是由特征提取网络和分类网络构成，其中特征提取网络用于提取图片的特征，分类网络用于将图片进行分类。

1. `torch.nn.Conv2d()`详解

函数原型：

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)

关键参数说明：

in_channels ( int ) – 输入图像中的通道数

out_channels ( int ) – 卷积产生的通道数

kernel_size ( int or tuple ) – 卷积核的大小

stride ( int or tuple , optional ) -- 卷积的步幅。默认值：1

padding ( int , tuple或str , optional ) – 添加到输入的所有四个边的填充。默认值：0
dilation (int or tuple, optional) - 扩张操作：控制kernel点（卷积核点）的间距，默认值:1。

padding_mode (字符串,可选) – 'zeros', 'reflect', 'replicate'或'circular'. 默认：'zeros'

2. torch.nn.Linear()详解

函数原型：

torch.nn.Linear(in_features, out_features, bias=True, device=None, dtype=None)

关键参数说明：

in_features：每个输入样本的大小

out_features：每个输出样本的大小

3. torch.nn.MaxPool2d()详解

函数原型：

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

关键参数说明：

kernel_size：最大的窗口大小

stride：窗口的步幅，默认值为kernel_size

padding：填充值，默认为0

dilation：控制窗口中元素步幅的参数

4. 关于卷积层、池化层的计算：

下面的网络数据shape变化过程为：

3, 32, 32（输入数据）
-> 64, 30, 30（经过卷积层1）-> 64, 15, 15（经过池化层1）
-> 64, 13, 13（经过卷积层2）-> 64, 6, 6（经过池化层2）
-> 128, 4, 4（经过卷积层3） -> 128, 2, 2（经过池化层3）
-> 512 -> 256 -> num_classes(10)

请根据我在之后作品发布的【卷积层的计算】与【池化层的计算】这两篇文章手动推导这个过程。

import torch.nn.functional as F

num_classes = 10  # 图片的类别数

class Model(nn.Module):
     def __init__(self):
        super().__init__()
         # 特征提取网络
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3)   # 第一层卷积,卷积核大小为3*3
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)       # 设置池化层，池化核大小为2*2
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3)  # 第二层卷积,卷积核大小为3*3   
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2) 
        self.conv3 = nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3) # 第二层卷积,卷积核大小为3*3   
        self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2) 
                                      
        # 分类网络
        self.fc1 = nn.Linear(512, 256)          
        self.fc2 = nn.Linear(256, num_classes)
     # 前向传播
     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)

        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
       
        return x

#加载并打印模型
from torchinfo import summary
# 将模型转移到GPU中（我们模型运行均在GPU中进行）
model = Model().to(device)

summary(model)

注意：在加载并打印模型的时候，可能会报错，输入这条命令就可以了

输出结果：

三、训练模型

1.设置超参数

#已经是老生常谈得了 设置超参数，一开始的参数叫超参数
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.编写训练函数

1. optimizer.zero_grad()

optimizer.zero_grad() 是 PyTorch 中用于将优化器中所有参数的梯度清零的方法。在训练神经网络时，通常会在每个 mini-batch 的训练之前调用 optimizer.zero_grad() 来手动将之前计算的梯度清零，以确保每次迭代的梯度是新的，不会受到之前迭代的影响。

2. loss.backward()

PyTorch的反向传播(即tensor.backward())是通过autograd包来实现的，autograd包会根据tensor进行过的数学运算来自动计算其对应的梯度。

具体来说，torch.tensor是autograd包的基础类，如果你设置tensor的requires_grads为True，就会开始跟踪这个tensor上面的所有运算，如果你做完运算后使用tensor.backward()，所有的梯度就会自动运算，tensor的梯度将会累加到它的.grad属性里面去。

更具体地说，损失函数loss是由模型的所有权重w经过一系列运算得到的，若某个w的requires_grads为True，则w的所有上层参数（后面层的权重w）的.grad_fn属性中就保存了对应的运算，然后在使用loss.backward()后，会一层层的反向传播计算每个w的梯度值，并保存到该w的.grad属性中。

如果没有进行tensor.backward()的话，梯度值将会是None，因此loss.backward()要写在optimizer.step()之前。

3. optimizer.step()

optimizer.step() 方法的作用是根据优化器的规则来更新模型参数，将模型向损失函数减小的方向优化。

step()函数的作用是执行一次优化步骤，通过梯度下降法来更新参数的值。因为梯度下降是基于梯度的，所以在执行optimizer.step()函数前应先执行loss.backward()函数来计算梯度。

注意：

optimizer只负责通过梯度下降进行优化，而不负责产生梯度，梯度是tensor.backward()方法产生的。

# 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

3.编写测试函数

测试函数和训练函数大致相同，但是由于不进行梯度下降对网络权重进行更新，所以不需要传入优化器

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

4.正式训练

1. model.train()

model.train()的作用是启用 Batch Normalization 和 Dropout。

如果模型中有BN层(Batch Normalization）和Dropout，需要在训练时添加model.train()。model.train()是保证BN层能够用到每一批数据的均值和方差。对于Dropout，model.train()是随机取一部分网络连接来训练更新参数。

2. model.eval()

model.eval()的作用是不启用 Batch Normalization 和 Dropout。

如果模型中有BN层(Batch Normalization）和Dropout，在测试时添加model.eval()。model.eval()是保证BN层能够用全部训练数据的均值和方差，即测试过程中要保证BN层的均值和方差不变。对于Dropout，model.eval()是利用到了所有网络连接，即不进行随机舍弃神经元。

训练完train样本后，生成的模型model要用来测试样本。在model(test)之前，需要加上model.eval()，否则的话，有输入数据，即使不训练，它也会改变权值。这是model中含有BN层和Dropout所带来的的性质

epochs     = 10
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')

四、结果可视化

import matplotlib.pyplot as plt
#隐藏警告
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()

五、学员问题

六，总结

构建数据集中

也是从网上下的简单方便，在构建数据集时，我认为有两个重点，1是dataset下载，2是dataloader加载数据集，后续处理也都是用的dataloader

构建cnn网络中

，定义网络结构，几层卷积池化根据自己的想法，前向传播得出经过特征提取和分类网络得到的数据结果

训练模型中

编写训练函数中

损失函数，学习率，优化器，统统安排上，我们要计算准确率和损失，先把训练集的大小，批次数目加载出来，初始化训练损失和正确率，然后for循环依次取图片标签，好嘞，可以开始预测了计算预测误差，得到损失函数后，也就是能初步判断这个模型咋样了，然后我们根据损失函数，梯度清零，反向传播，更新网络中的参数，每一步按照梯度下降的方向依次更新，这个时候要记录准确的数量和损失函数的总量，最后，准确的数量除以总量，就是准确率，损失除以批次数量，就是损失