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Python 深度学习_python深度学习

作者：小丑西瓜9 | 2024-04-25 02:02:01

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python深度学习

Pytorch

一、深度学习概览
二、深度学习Pytorch
三、具体常用算法
- 1、YOLO系列-v5
- 2、BEV感知算法
四、相关工具及工具包配置环境
- 待补充

一、深度学习概览

1、工具篇

2、流程介绍

请点击---->深度学习计算机视觉学习流程
在这里插入图片描述

请点击–> 深度学习模型训练全流程！
请点击–> 深度学习一般工作流程：
step 1、定义问题，收集数据集。
step 2、定义模型预测性能指标
step 3、确定模型评估方式
step 4、数据预处理
step 5、搭建模型
1、确定激活函数、损失函数
在这里插入图片描述
2、从简单结构开始逐步扩大模型规模
3、考虑正则化和dropout
step 6、交叉验证
step 7、测试集验证
注意：测试集性能和验证集性能相差较大，考虑采用更复杂的验证方法，如乱序重复K折交叉验证

3、基础知识（常用操作）

1、数据结构类型

请点击—> Tensor 常用操作
Pytorch基本变量类型FloatTensor与Variable

torch成员函数	函数作用解释
torch.where(condition，a，b)	torch.where()函数的作用是按照一定的规则合并两个tensor类型。输入参数condition：条件限制，如果满足条件，则选择a，否则选择b作为输出。注意：a和b是tensor.
torch.zeros(*size, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)	返回一个形状为为size,类型为torch.dtype，里面的每一个值都是0的tensor.
torch.full(size, fill_value, *, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)	返回创建size大小的维度，里面元素全部填充为fill_value.
torch.ones(size, , out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)	返回创建size大小的维度，里面元素全部填充为1.

4、常见名词概念

4.1 SOTA、Benchmark、Baseline、迁移学习、泛化

SOTA

Sota实际上就是State of the arts 的缩写，指的是在某一个领域做的Performance最好的model，一般就是指在一些benchmark的数据集上跑分非常高的那些模型。
SOTA model：并不是特指某个具体的模型，而是指在该项研究任务中，目前最好/最先进的模型。
SOTA result：指的是在该项研究任务中，目前最好的模型的结果/性能/表现。

Benchmark、Baseline

Benchmark和baseline都是指最基础的比较对象。你论文的motivation是想超越现有的baseline/benchmark，你的实验数据都需要以baseline/benckmark为基准来判断是否有所提高。唯一的区别就是baseline讲究一套方法，而benchmark更偏向于一个目前最高的指标，比如precision，recall等等可量化的指标。举个例子，NLP任务中BERT是目前的SOTA，你有idea可以超过BERT。那在论文中的实验部分你的方法需要比较的baseline就是BERT，而需要比较的benchmark就是BERT具体的各项指标。

迁移学习

迁移学习通俗来讲，就是运用已有的知识来学习新的知识，核心是找到已有知识和新知识之间的相似性，用成语来说就是举一反三。

泛化（Generalization）

模型的泛化能力通俗易懂的说就是模型在测试集（其中的数据模型以前没有见过）中的表现，也就是模型举一反三的能力

IoU损失函数

模型的泛化能力通俗易懂的说就是模型在测试集（其中的数据模型以前没有见过）中的表现，也就是模型举一反三的能力。是指标分析之一。交并比

二、深度学习Pytorch

常用两个功能函数：dir() ; help()。
【目录】【中文】【deplearning.ai】【吴恩达课后作业目录】

Python深度学习基于PyTorch：第1章 NumPy基础
 Python深度学习基于PyTorch：第2章 Pytorch基础
 Python深度学习基于PyTorch：第3章 Pytorch神经网络工具箱
 Python深度学习基于PyTorch：第4章 Pytorch数据处理工具箱

1、神经网络

1.1 如何构建神经网络

step 1：构建网络层：一般采用torch.nn.Sequential()来构建；
step 2：前向传播：定义forward函数。forward函数的任务需要把输入层、网络层、输出层链接起来，实现信息的前向传导。在forward函数中，有些层来自nn.Module，也可以使用nn.functional定义。来自nn.Module的需要实例化，而使用nn.functional定义的可以直接使用。
step 3：反向传播：在反向传播过程中，优化器是一个重要角色。pytorch常用的优化方法都封装在torch.optim里面。最常用的优化算法就是梯度下降法及其各种变种。所有的优化方法都是继承了基类optim.Optimizer。

优化方法	优化器
随机梯度下降法	torch.optim.SGD()
含有动量的随机梯度下降法	torch.optim.SGD()
Per-parameter adaptive learning rate methods（逐参数适应学习率方法）	torch.optim.RMSprop()
Per-parameter adaptive learning rate methods（逐参数适应学习率方法）	torch.optim.Adam()
	torch.optim.Adadelta()
	torch.optim.Adagrad()


	以上优化器

nn.CrossEntropyLoss：

step 4：训练模型：缺省情况下，梯度是累加的，需要手工把梯度初始化或清零，调用optimizer.zero_grad()即可。如果希望用GPU训练，需要把模型、训练数据、测试数据发送到GPU上，即调用.to(device)。如果需要多GPU进行处理，可使模型或相关数据引用nn.DataParallel。
step 5：

1.2 核心组件

（1）层：神经网络的基本结构，将输入张量转换为输出张量。
卷积层：
全连接层：
Dropout层：
池化层：
隐含层：
（2）模型：层构成的网络。
（3）损失函数：参数学习的目标函数，通过最小化损失函数来学习各种参数。
（4）优化器：如何使损失函数最小，这就涉及优化器。常用的是4种。

2、数据处理工具

在这里插入图片描述一边用torch.utils.data.Dataset处理同一个目录下的数据。如果数据在不同目录下，不同目录代表不同类别（这种情况比较普遍），使用data.Dataset来处理就不很方便。不过，可以使用Pytorch另一种可视化数据处理工具（即torchvision）就非常方便，不但可以自动获取标签，还提供很多数据预处理、数据增强等转换函数。

2.1 torchvision（可视化处理工具）

torchvision是pytorch的一个图形库，它服务于PyTorch深度学习框架的，主要用来构建计算机视觉模型。torchvision有4个功能模块：model、datasets、transforms和utils。

2.1.1、torchvision.transforms

torchvision.transforms是pytorch中的图像预处理包。例如裁剪、旋转等。
一般用Compose把多个步骤整合到一起，transforms.Compose。
数据归一化处理transforms.Normalize。

2.1.2、torchvision.datasets

另说明： torch.utils.data包括Dataset（只负责数据的抽取，不能进行批处理）和DataLoader（不光可以批处理还能shuffle和并行加速）。
提供常用的数据集加载，设计上都是继承自torch.utils.data.Dataset。
torchvision学习之torchvision.datasets。一些加载数据的函数及常用的数据集接口。
torchvision.datasets中包含了以下数据集：
（1）MNIST
（2）COCO（用于图像标注和目标检测）(Captioning and Detection)
（3）LSUN Classification
（4）ImageFolder
（5）Imagenet-12
（6）CIFAR10 and CIFAR100
（7）STL10

2.1.3、torchvision.models

PyTorch源码解读之torchvision.models
torchvision.models这个包中包含alexnet、densenet、inception、resnet、squeezenet、vgg等常用的网络结构，并且提供了预训练模型，可以通过简单调用来读取网络结构和预训练模型。

2.1.4、torchvision.utils

2.2 torch.utils.data

它包括以下4个类：
（1）Dataset：是一个抽象类，其它数据集需要继承这个类，并且覆写其中的两个方法( _ getitem 、_ len __)。
（2）DataLoader：定义一个新的迭代器，实现批量（batch）读取，打乱数据（shuffle）并提供并行加速等功能。
（3）random_split：把数据集随机拆分为给定长度的非重叠新数据集。
*（4）sampler：多种采样函数。

3 、神经网络工具箱nn

3.1 nn.Module模块

nn.Module是nn核心数据结构，它可以是神经网络的某个层（Layer），也可以是包含多层的神经网络。在实际应用中，最常见的做法是继承nn.Module，生成自己的网络/层。

3.2 nn.functional模块

两者区别： 具有学习参数的（例如，conv2d, linear, batch_norm）采用nn.Xxx方式。没有学习参数的（例如，maxpool、loss func、activation func）等根据个人选择使用nn.functional.xxx或者nn.Xxx方式。

4 、优化器

代码示例：

import torch.optim as optim
lr = 0.01
momentum = 0.5
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=momentum)
1
2
3
4

4.1 动态修改学习率参数

修改参数的方式可通过修改参数optimizer.params_groups或新建optimizer。对于使用动量的优化器（momentum参数的sgd）可能会造成收敛中的震荡，所以建议采用修改参数optimizer.params_groups。

torch.unsqueeze(input, dim, out=None)  # 解压缩（升维）
torch.squeeze(input, dim = None, out = None) # 压缩（降维）
#####
torch.linspace(start, end, steps=100, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False) → Tensor
# 函数的作用是，返回一个一维的tensor（张量），这个张量包含了从start到end，分成steps个线段得到的向量。
1
2
3
4
5

5 、可视化工具(tensorboardX)

tensorboardX功能很强大，支持scalar、image、figure、histogram、audio、text、graph、onnx_graph、embedding、pr_curve and videosummaries等可视化方式。

6 、机器学习基础

在这里插入图片描述

6.1 机器学习一般流程

明确目标→收集数据（收集的数据尽量实现自动化、程序化）→输入数据→数据探索与预处理（一般包括数据清理、数据转换、规范数据、特征选择等）→训练及测试算法或建模（不同方法来训练进而选取最优）→评估及优化模型（留出法、K折交叉验证、重复的K折交叉验证，若出现过拟合，尤其是回归类的问题，可用正则化方法来降低模型的泛化误差）

如何解决过拟合问题呢？ 正则化是指在机器学习中，很多被显式地用来减少测试误差的策略。正则化旨在减少泛化误差而不是训练误差。正则化不仅可以有效降低高方差，还有利于降低偏差。
1、权重正则化
2、Dropout正则化
3、批量正则化
4、权重初始化

6.2 相关知识介绍

代价函数（cost function）：衡量模型预测出来的值 h(θ) 与真实值 y 之间差异的函数叫做代价函数J(θ)。
在这里插入图片描述

7 、视觉处理基础

7.1 卷积神经网络（CNN）

卷积神经网络是一种前馈神经网络。卷积神经网络由一个或多个卷积层和顶端的全连接层（对应经典的神经网络）组成，同时也包括关联权重和池化层（Pooling Layer）等。

7.2 卷积层

卷积层是卷积神经网络的核心层，而卷积又是卷积层的核心。卷积核（kernel）又称权重过滤器，简称为过滤器（filter）。常见卷积核有Horizontalfilter(水平边缘检测)、Verticalfilter(垂直边缘检测)、Sobelfilter(增强图像中心区域权重)。
1、卷积核
2、步幅（strides）
3、填充（padding）
4、激活函数
卷积神经网络与标准的神经网络类似，为保证其非线性，也需要使用激活函数，即在卷积运算后，把输出值另加偏移量，输入到激活函数，然后作为下一层的输入。
常用的激活函数有：nn.Sigmoid、nn.ReLU、nn.LeakyReLU、nn.Tanh等。
ReLU是将所有的负值都设为零，相反，Leaky ReLU是给所有负值赋予一个非零斜率。
5、卷积函数
卷积函数是构建神经网络的重要支架，通常PyTorch的卷积运算是通过nn.Conv2d来完成的。
6、转置卷积(Transposed Convolution)在一些文献中也称为反卷积(Deconvolution)或部分跨越卷积(Fractionally-Strided)。转置卷积在生成式对抗网络(GAN)中使用很普遍。

7.3 池化层

池化（Pooling）又称下采样，通过卷积层获得图像的特征后，理论上可以直接使用这些特征训练分类器（如Softmax）。常用池化方法有3种：（1）最大池化；（2）均值池化；（3）全局最大池化。
池化的作用体现在降采样：保留显著特征、降低特征维度，增大感受野。
1、局部池化
2、全局池化
全局平均池化（Global Average Pooling，GAP）。GAP的优势在于：各个类别与Feature Map之间的联系更加直观（相比与全连接层的黑箱来说），Feature Map被转化为分类概率也更加容易，因为在GAP中没有参数需要调，所以避免了过拟合问题。GAP汇总了空间信息，因此对输入的空间转换鲁棒性更强。所以目前卷积网络中最后几个全连接层，大都用GAP替换。PyTorch虽然没有对应名称的池化层，但可以使用PyTorch中的自适应池化层（nn.AdaptiveMaxPool2d或nn.AdaptiveAvgPool2d）来实现。

三、具体常用算法

1、YOLO系列-v5

详解：yolov5中推理时置信度，设置的conf和iou_thres具体含义
 YOLOV5模型转onnx并推理

名称	名词解释
Intersect over Union Threshold	交并比阈值
Roboflow	在线图像标注软件。目标检测中的数据格式转换工具
pipeline	直译就是管线，也就是流水线，流程
mAP(Mean Average Precision)	其中代表P（Precision）精确率。AP（Average precision）单类标签平均（各个召回率中最大精确率的平均数）的精确率，mAP(Mean Average Precision)所有类标签的平均精确率。
ONNX（Open Neural Network Exchange）	开放神经网络交换格式，ONNX 模型一般用于中间部署阶段，起到要给中间翻译的作用。ONNX简明教程。 • Pytorch -> ONNX -> TensorRT • Pytorch -> ONNX -> TVM • TF –ONNX – NCNN Pytorch -> ONNX -> tensorflow
protobuf	protocol buffers 是一种灵活，高效，自动化机制的结构数据序列化方法－可类比 XML，但是比 XML 更小、更快、更为简单。 protobuf详细介绍和使用。protocol buffer 文本格式
Objective-C	通常写作ObjC或OC和较少用的Objective C或Obj-C，是扩充C的面向对象编程语言。它主要使用于Mac OS X和GNUstep这两个使用OpenStep标准的系统，而在NeXTSTEP和OpenStep中它更是基本语言。
DLA	深度学习加速器
TensorRT	TensorRT是nvidia家的一款高性能深度学习推理SDK。此SDK包含深度学习推理优化器和运行环境，可为深度学习推理应用提供低延迟和高吞吐量。
IoU(Intersection over Union)	IoU是预测框 $Y_{pred}$ 与真实框 $Y_{true}$ 的面积交并比。IoU= $\frac{A∩B}{A∪B}$ ，IoU作为损失函数的时候只要将其对数值( $l n$ )输出就好了。IoU还有其他几种： $G I o U \to D I o U \to C I o U \to E I o U \to S I o U$
数据增强Mosaic
backbone	是指一种在神经网络或机器学习模型中常用的基本结构或骨架。它通常是一个由多个层或模块组成的主干网络，用于提取输入数据的特征。 “backbone” 也可以称为 “主干网络”、“基础网络” 或 “骨干架构”。
SPP(Spatial Pyramid Pooling)	空间金字塔池化。是一种用于图像识别和目标检测的技术，其作用是在不同尺度下对图像进行特征提取和编码，它可以将任意大小的输入图像重新缩放到固定大小，并生成固定长度的特征向量。
sppf(Spatial Pyramid Pooling Fast)
neck
precision（精确率或正确率）	$\frac{TP}{TP+FP}$
recall（召回率或查全率）	$\frac{TP}{TP+FN}$
F1	F-measure 指数，是精确率和召回率的加权调和平均数，属于综合性的评价指标，常用的是F1指标，综合了精确率和召回率的结果，当F1取值较高时，则能说明方法比较有效。 ${F1}$ = 2× $\frac{Precision×Recall}{Precision+Recall}$ ，这里， ${FP：假正例；FN：假负例；TP：真正例；TN：真负例}$
感受野	在卷积神经网络中，决定某一层输出结果中一个元素所对应的输入层的区域大小，被称为感受野。感受野计算公式： ${RF_{i+1}=RF_{i}+(K-1)*\prod_{n=0}^iS_n}$ ${RF_{i+1}}$ ：表示当前层感受野 ${RF_{i}}$ ：表示上一层感受野 ${K}$ ：表示当前核大小 ${\prod_{n=0}^iS_n}$ ：表示前面几层的步长之积

指标分析
1、mAP指标：综合衡量检测效果；
2、IOU：交并比

2、BEV感知算法

BEV视觉3D感知算法梳理

待补充

请点击–> 深度学习与计算机视觉系列(10)_细说卷积神经网络
请点击–> 11种主要神经网络结构图解

Protobuf的简单介绍、使用和分析

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