CNN 卷积神经网络(上)

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简介: CNN 卷积神经网络(上)

9、CNN 卷积神经网络

B站视频教程传送门:PyTorch深度学习实践 - 卷积神经网络(基础篇) PyTorch深度学习实践 - 卷积神经网络(高级篇)

9.1 Revision

全连接神经网络(Fully Connected Neural Network):该网络完全由线形层Linear串行连接起来,即每一个输入节点都要参与到下一层任一输出节点的计算上。

class Net(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.l1 = torch.nn.Linear(784, 512)
        self.l2 = torch.nn.Linear(512, 256)
        self.l3 = torch.nn.Linear(256, 128)
        self.l4 = torch.nn.Linear(128, 64)
        self.l5 = torch.nn.Linear(64, 10)
    def forward(self, x):
        x = x.view(-1, 784)
        x = F.relu(self.l1(x))
        x = F.relu(self.l2(x))
        x = F.relu(self.l3(x))
        x = F.relu(self.l4(x))
        return self.l5(x)
model = Net()

9.2 Introduction

Convolutional Neural Network

注意:

  • image.png

9.3 Convolution

可以先了解一下 栅格图像矢量图像 的区别与联系:

9.3.1 Channel

  • Single Input Channel:

  • 3 Input Channels:

其中,C H W 变化如下:

  • N Input Channels:

  • N Input Channels and M Output Channels

要想输出 M 通道的图像,卷积核也需设置为 M 个:

9.3.2 Layer

image.pngimage.png

image.png

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)
conv_layer = torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=kernel_size)
output = conv_layer(input)
print(input.shape)
print(conv_layer.weight.shape)  # m n w h
print(output.shape)
torch.Size([1, 5, 100, 100])
torch.Size([10, 5, 3, 3])
torch.Size([1, 10, 98, 98])

9.3.3 Padding

image.png

可以使用参数 padding=1 ,先将input填充至 7 × 7 ,这样卷积之后,output仍为  5×5

import torch
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)  # B C W H
conv_layer = torch.nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=1, kernel_size=3, padding=1, bias=False)  # O I W H
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)
tensor([[[[ 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>)

9.3.4 Stride

参数 stride 意为步长,假设 stride=2 时,kernel在向右或向下移动时,一次性移动两格,可以有效的降低图像的宽度和高度。

import torch
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)  # B C W H
conv_layer = torch.nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=1, kernel_size=3, stride=2, bias=False)  # O I W H
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)
tensor([[[[211., 262.],
          [251., 169.]]]], grad_fn=<ConvolutionBackward0>)

9.4 Max Pooling

Max Pooling:最大池化,默认 stride=2 ,若 kernel=2×2 ,即在该表格中找出最大值:

import torch
input = [3, 4, 6, 5,
         2, 4, 6, 8,
         1, 6, 7, 8,
         9, 7, 4, 6]
input = torch.Tensor(input).view(1, 1, 4, 4)
maxpooling_layer = torch.nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
output = maxpooling_layer(input)
print(output)
tensor([[[[4., 8.],
          [9., 8.]]]])

9.5 A Simple CNN

下图为一个简单的神经网络:

即:

代码如下:

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()

9.5.1 GPU

使用GPU来跑数据的前提:安装CUDA版PyTorch

  • Move Model to GPU :在调用模型后添加以下代码
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)
  • Move Tensors to GPU :训练和测试函数添加以下代码
inputs, target = inputs.to(device), target.to(device)

9.5.2 Code 1

import torch
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt
batch_size = 64
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])
train_dataset = datasets.MNIST(root='../data/mnist', train=True, download=True, transform=transform)
train_loader = DataLoader(train_dataset, shuffle=True, batch_size=batch_size)
test_dataset = datasets.MNIST(root='../data/mnist', train=False, download=True, transform=transform)
test_loader = DataLoader(test_dataset, shuffle=False, batch_size=batch_size)
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")  # GPU
model.to(device)
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.5)
def train(epoch):
    running_loss = 0.0
    for batch_idx, data in enumerate(train_loader, 0):
        inputs, target = data
        inputs, target = inputs.to(device), target.to(device)  # GPU
        optimizer.zero_grad()
        # forward + backward + update
        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        running_loss += loss.item()
        if batch_idx % 300 == 299:
            print('[%d, %3d] loss: %.3f' % (epoch + 1, batch_idx + 1, running_loss / 2000))
            running_loss = 0.0
accuracy = []
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)  # GPU
            outputs = model(inputs)
            _, predicted = torch.max(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))
    accuracy.append(100 * correct / total)
if __name__ == '__main__':
    for epoch in range(10):
        train(epoch)
        test()
    print(accuracy)
    plt.plot(range(10), accuracy)
    plt.xlabel("Epoch")
    plt.ylabel("Accuracy")
    plt.grid()
    plt.show()
[1, 300] loss: 0.091
[1, 600] loss: 0.027
[1, 900] loss: 0.020
Accuracy on test set: 97 % [9700/10000]
[2, 300] loss: 0.017
[2, 600] loss: 0.014
[2, 900] loss: 0.013
Accuracy on test set: 97 % [9799/10000]
[3, 300] loss: 0.012
[3, 600] loss: 0.011
[3, 900] loss: 0.011
Accuracy on test set: 98 % [9813/10000]
[4, 300] loss: 0.010
[4, 600] loss: 0.009
[4, 900] loss: 0.009
Accuracy on test set: 98 % [9838/10000]
[5, 300] loss: 0.008
[5, 600] loss: 0.008
[5, 900] loss: 0.008
Accuracy on test set: 98 % [9846/10000]
[6, 300] loss: 0.007
[6, 600] loss: 0.008
[6, 900] loss: 0.007
Accuracy on test set: 98 % [9858/10000]
[7, 300] loss: 0.006
[7, 600] loss: 0.007
[7, 900] loss: 0.007
Accuracy on test set: 98 % [9869/10000]
[8, 300] loss: 0.006
[8, 600] loss: 0.006
[8, 900] loss: 0.006
Accuracy on test set: 98 % [9869/10000]
[9, 300] loss: 0.006
[9, 600] loss: 0.006
[9, 900] loss: 0.006
Accuracy on test set: 98 % [9849/10000]
[10, 300] loss: 0.005
[10, 600] loss: 0.005
[10, 900] loss: 0.005
Accuracy on test set: 98 % [9849/10000]
[97.0, 97.99, 98.13, 98.38, 98.46, 98.58, 98.69, 98.69, 98.49, 98.49]

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