pytorch实现CNN处理MNIST手写数据集

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-05-28 06:51 11阅读 0赞

# pytorch实现CNN处理MNIST手写数据集 #

### pytorch实现CNN处理MNIST手写数据集 ###

*  pytorch实现CNN处理MNIST手写数据集
 *   *  1、流程
     *  2、训练过程
     *   *  （1）先导入必要的包
         *  （2）计算标准差和方差
         *  （3）用mini batch的形式导入训练和测试数据
         *  （4)定义模型，损失函数、优化函数，学习率，动量等超参数等。
         *  （5)定义训练和测试函数
         *  （6）迭代进行训练
     *  3、全部代码

## 1、流程 ##

1、导入数据（torch.utils.data.DataLoader）  
在内部定义数据的路径(os.path.join(data\_dir, data\_name)、对数据进行处理等（transfrom（旋转，totensor，标准化）、batch\_size，shuffle等）。  
2、定义模型，损失（交叉熵损失nll\_loss(log\_softmax)或者CrossEntropyLoss()），优化函数，学习率，动量等超参数等。  
3、定义训练函数（model.train() ,数据，预测，损失函数，优化，epoch等）  
4、定义测试函数（model.eval（），数据，预测，损失函数，衡量标准（Loss、准确率等）  
5、迭代运算，几个epoch（此时将数据写入函数）

## 2、训练过程 ##

在进行MNIST数据分析时，可以自行下载mnist数据，也可以通过torchvision 的 datasets导入数据。  
但是一般导入数据较为慢，可自行先下载好数据之后，再进行处理。  
百度云自取mnist数据：  
[https://pan.baidu.com/s/1ZOknxUEmWPTKMveBbw\_erg][https_pan.baidu.com_s_1ZOknxUEmWPTKMveBbw_erg]  
提取码：8t8e

### （1）先导入必要的包 ###

import torch
    import numpy as np
    import torch.nn as nn
    import torch.utils.data
    from torchvision import datasets,transforms
    import torch.nn.functional as F

### （2）计算标准差和方差 ###

在导入必要的包之后，一般需要对数据进行处理（标准化），使得数据的训练更快、更容易收敛。  
因为mnist数据集为单通道图像（灰色图像，多通道为RGB图像等），所以此时可以用以下方法计算训练数据集的均值和标准差。

minist_data=datasets.MNIST("./MNIST_data",train=True,download=True,transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),]))  # 下载数据，如果不存在会自动下载,并将其转化为tensor（若下载好数据此处download为false）
    print(minist_data)  # 了解数据的信息
    print(minist_data[0][0].shape)  # 了解数据的size，此时为[1，28，28]
    # 计算均值和方差（将数据转为numpy格式）
    data=[d[0].data.cpu().numpy() for d in minist_data]
    mean=np.mean(data)
    std=np.std(data)
    print(mean,std)

结果  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDY5ODM4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### （3）用mini batch的形式导入训练和测试数据 ###

此处导入数据为固定的格式 用（torch.utils.data.DataLoader）

batch_size=32
    train_dataloader=torch.utils.data.DataLoader(
        datasets.MNIST("./MNIST_data",train=True,download=False,
        transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((mean,),(std,))])),
        batch_size=batch_size,shuffle=True,pin_memory=True)
    test_dataloader=torch.utils.data.DataLoader(
        datasets.MNIST("./MNIST_data",train=False,download=False,
        transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((mean,),(std,))])),
        batch_size=batch_size,shuffle=True,pin_memory=True)

### （4)定义模型，损失函数、优化函数，学习率，动量等超参数等。 ###

此处通过类定义模型的内部参数（固定使用class Net(nn.Module)）

# 定义卷积神经网络内部的参数
    class Net(nn.Module): 
        def __init__(self):
            super(Net,self).__init__() # 继承init
            self.conv1=nn.Conv2d(1,20,5,1)  # 28*28的1通道转为 24*24的20通道的数据
            self.conv2=nn.Conv2d(20,50,5,1)  # 卷积核为5*5 步长为1 输入20通道 输出50通道 
            self.fc1=nn.Linear(4*4*50,500)  
            self.fc2=nn.Linear(500,10)
        def forward(self, x):
            # 开始输入为x=1*28*28
            x=F.relu(self.conv1(x))  # 20*24*24
            x=F.max_pool2d(x,2,2)    # 20*12*12
            x=F.relu(self.conv2(x))  # 50*8*8
            x=F.max_pool2d(x,2,2)    # 50*4*4
            x=x.view(-1,4*4*50)      #reshape 将其转化为一维数据（-1为batch处理的量）用于全连接层
            x=F.relu(self.fc1(x))
            x=self.fc2(x)
            return F.log_softmax(x,dim=1)   # 每个图片归于每一类的概率
    # 定义训练的各种参数
    device=torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") 
    lr=0.01
    momentum=0.5
    model=Net().to(device)  # 将其弄到GPU上进行训练（速度快，并行）
    optimizer=torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=lr,momentum=momentum) # 定义优化方法，用SGD方法进行优化
    num_epoch=2

### （5)定义训练和测试函数 ###

1.训练函数

def train(model,device,train_loader,optimizer,epoch):
        model.train()
        for idx,(data,target) in enumerate(train_loader):   #idx为第几个数据 (data,target)为相应的数据值 enumerate可以自己给数据加索引值，一般均用此方法对数据进行批量处理
            data,target=data.to(device),target.to(device)
            pred=model(data)
            loss=F.nll_loss(pred,target)  # 此时由于先log（softmax），所以和直接使用交叉熵损失函数一样的效果  
            # SGD
            optimizer.zero_grad() # 先将梯度置0，否则在计算过程中，梯度会越来越大
            loss.backward() # 反向计算梯度
            optimizer.step()
            # 打印出损失值
            if idx%100==0:
                print("Train Epoch:{},iteration:{},Loss:{}".format(epoch,idx,loss.item()))

2.测试函数

def test(model,device,test_loader):
        model.eval()
        total_loss=0.
        correct=0.
        with torch.no_grad(): # 测试函数无需计算梯度
            for idx,(data,target) in enumerate(test_loader):
                data,target=data.to(device),target.to(device)
                output=model(data)  # batch_size*10
                total_loss+=F.nll_loss(output,target,reduction="sum").item() # 计算总的损失值
                pred=output.argmax(dim=1) # batch_size*1  # 将数据取最大的概率值
                correct+=pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item() # 将预测值和真实值进行比较，此时维度需要设置为一样
            total_loss/=len(test_loader.dataset)  # 计算损失
            acc=correct/len(test_loader.dataset) # 计算准确率
            print("Test loss: {},Accuracy: {}".format(total_loss,acc))

### （6）迭代进行训练 ###

# 迭代进行运算 循环几个epoch
    for epoch in range(num_epoch):
        train(model,device,train_dataloader,optimizer,epoch)
        test(model, device,test_dataloader)
    # 将训练的模型进行保存
    torch.save(model.state_dict(),"mnist_cnn.pt")

训练结果：  
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## 3、全部代码 ##

import torch
    import numpy as np
    import torch.nn as nn
    import torch.utils.data
    from torchvision import datasets,transforms
    import torch.nn.functional as F
    # 计算均值和方差
    minist_data=datasets.MNIST("./MNIST_data",train=True,download=True,transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),]))  # 下载数据，如果不存在会自动下载,并将其转化为tensor
    print(minist_data)
    print(minist_data[0][0].shape)
    data=[d[0].data.cpu().numpy() for d in minist_data]
    mean=np.mean(data)
    std=np.std(data)
    print("数据的均值为：{},方差为：{}".format(mean,std))
    # 定义训练和测试过程
    def train(model,device,train_loader,optimizer,epoch):
        model.train()
        for idx,(data,target) in enumerate(train_loader):   #idx为第几个数据 (data,target)为相应的数据值 enumerate可以自己给数据加索引值
            data,target=data.to(device),target.to(device)
            pred=model(data)
            loss=F.nll_loss(pred,target)
            # SGD
            optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            optimizer.step()
            if idx%100==0:
                print("Train Epoch:{},iteration:{},Loss:{}".format(epoch,idx,loss.item()))
    def test(model,device,test_loader):
        model.eval()
        total_loss=0.
        correct=0.
        with torch.no_grad():
            for idx,(data,target) in enumerate(test_loader):
                data,target=data.to(device),target.to(device)
                output=model(data)  # batch_size*10
                total_loss+=F.nll_loss(output,target,reduction="sum").item()
                pred=output.argmax(dim=1) # batch_size*1
                correct+=pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()
            total_loss/=len(test_loader.dataset)
            acc=correct/len(test_loader.dataset)
            print("Test loss: {},Accuracy: {}".format(total_loss,acc))
    # 定义卷积神经网络内部的参数
    class Net(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(Net,self).__init__()
            self.conv1=nn.Conv2d(1,20,5,1)  # 28*28的1通道转为 24*24的20通道的数据
            self.conv2=nn.Conv2d(20,50,5,1)  # 卷积核为5*5 步长为1 输入20通道 输出50通道
            self.fc1=nn.Linear(4*4*50,500)
            self.fc2=nn.Linear(500,10)
        def forward(self, x):
            # 开始输入为x=1*28*28
            x=F.relu(self.conv1(x))  # 20*24*24
            x=F.max_pool2d(x,2,2)    # 20*12*12
            x=F.relu(self.conv2(x))  # 50*8*8
            x=F.max_pool2d(x,2,2)    # 50*4*4
            x=x.view(-1,4*4*50)      #reshape 将其转化为一维数据（-1为batch处理的量）
            x=F.relu(self.fc1(x))
            x=self.fc2(x)
            return F.log_softmax(x,dim=1)   # 每个图片归于每一类的概率
    # 定义训练的各种参数
    device=torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
    batch_size=32
    lr=0.01
    momentum=0.5
    model=Net().to(device)
    optimizer=torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=lr,momentum=momentum)
    num_epoch=2
    # 批量导入测试数据和训练数据
    train_dataloader=torch.utils.data.DataLoader(
        datasets.MNIST("./MNIST_data",train=True,download=True,
        transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((mean,),(std,))])),
        batch_size=batch_size,shuffle=True,pin_memory=True)
    test_dataloader=torch.utils.data.DataLoader(
        datasets.MNIST("./MNIST_data",train=False,download=True,
        transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((mean,),(std,))])),
        batch_size=batch_size,shuffle=True,pin_memory=True)
    # 迭代进行运算 循环几个epoch
    for epoch in range(num_epoch):
        train(model,device,train_dataloader,optimizer,epoch)
        test(model, device,test_dataloader)
    # 将训练的模型进行保存
    torch.save(model.state_dict(),"mnist_cnn.pt")

torchvision还有一种数据为FashionMNIST，其比MNIST更为复杂，但是其格式和MNIST完全一样 1\* 28 \*28 ，最后分类也是分为十种类型，也可用于基础深度学习训练。

[https_pan.baidu.com_s_1ZOknxUEmWPTKMveBbw_erg]: https://pan.baidu.com/s/1ZOknxUEmWPTKMveBbw_erg
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