CNN_原理以及pytorch多分类实践_pytorch cnn 多通道分类

若需要数据以及源代码加群753035545

当我们进行这样处理是会产生非常多的参数，我我们可以通过以下详细过程进行分析，如何利用最少的参数等到相同的结果

这只是一个分类情况，就用了16个参数，之后看最后的结果

使用了16*9个参数才能计算完成，而且这只是一层，我们发现最后的结果一般只与四个参数有关，我们可不可将这四个参数提取出来

最后通过一个卷积层将数据进行转换

在上图中，输入和卷积核都是张量，卷积运算就是卷积分别乘以输入张量中的每个元素，然后输出一个代表每个输入信息的张量，其中卷积核又称为权重过滤器，简称过滤器

步幅

第一个6这样算出来的，那么第二个值是不是就是吧卷积层往右边平移一个单位，接着算出来，但是到第一行的四个数时卷积核窗口将在输入矩阵之外，我们就需要填充

填充

吧图片尺寸进行扩展，扩展区域补零，补零的圈数为过滤器的大小为$f$,步幅为$s$，数据大小为$n$,则圈数$p=(f-1)/2$,卷积后的大小为$(n+2p-f)/s+1$

多通道卷积

当数据是一维可以使用一个卷积，但是图像数据多为三维，就要用三个卷积层，之后将三层卷积层数据加起来，

pytorch 卷积函数

torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True, padding_mode=‘zeros’)

• in_channels:输入信号的通道
• out_channels：卷积产生的通道
• kernel_size 卷积核的尺寸
• stride：卷积的步长
• padding：输入的每一条边补充0的层数
• dilation ：卷积核元素之间的间距

池化层

池化层又称下采样，卷积后的图像可以直接用来训练分类器，可是这样将面临巨大的计算，容易产生过拟合，为了降低训练网络参数及模型的过拟合程度，对卷积层进行池化，一般有三种

• 最大池化
• 均值池化
• 全局最大池化

torch.nn.MaxPool2d(kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False, ceil_mode=False)
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• kernel_size: 池化窗口的大小 ，一般是[height,width],如果两者相等，可以是一个数字
• stride:窗口在每个维度上滑动的步长，一般是[height,width],如果两者相等，可以是一个数字
• padding: 输入的每一条边补充0的层数
• dilation: 卷积核元素之间的间距
• return_indices: 是否返回最大值对应下标
• ceil_mode: 使用方块代替层结构

实例

pytorch 实现CIFAR-10多分类

import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
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#ToTensor 把一个取值范围是[0,255]的PIL.Image转换成Tensor,形状为(H,W,C)的numpy.ndarray，转化为形状为(C,H,W)，取值范围是[0,1]的torch.FloatTensor
# Normalize 规范化到[-1,1] 第一个取值为mean ,第二个取值为std
transform = transforms.Compose(
    [transforms.ToTensor(),
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
# num_workers:使用多进程加载的进程数，0代表不使用多进程
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True,
                                        download=False, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4,
                                          shuffle=True, num_workers=2)

testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False,
                                       download=False, transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=4,
                                         shuffle=True, num_workers=2)

classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat',
           'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')
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trainloader
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<torch.utils.data.dataloader.DataLoader at 0x13bf0281898>
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import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
%matplotlib inline

# 显示图像
# 因为归一话的时候是先减去平均值0.5 ，然后再除以标准偏差0.5 那么反归一化就是先乘以0.5，再加0.5。
# 调换数组行列值的索引值，这一步相当于是将前面的数据处理返回，查看原始数据
###transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
def imshow(img):
    img = img / 2 + 0.5     # unnormalize
    npimg = img.numpy()
    plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
    plt.show()


# 随机获取部分训练数据
dataiter = iter(trainloader)
images, labels = dataiter.next()

# 显示图像
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
# 打印标签
print(' '.join('%5s' % classes[labels[j]] for j in range(4)))
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horse truck  frog truck
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images.shape
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torch.Size([4, 3, 32, 32])
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构建网络

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 这里的out_channels可以随便输入，但是第二个卷积层就要使用第一个卷积层的数值，相当于改变通道个数
# 注意到全链接层要修改下参数x.view(-1,16*6*6) 其中 16表示out_channels，但是后面的6*6表示每次改变后图像的大小、
# 第一次 图片为32*32*3 进过conv1变成 28*28*8 其中28为(32-5/1)+1
# 第二次 图片为28*28*8 MaxPool2d 14*14*8 其中14 为(28/2)
# 第三次 图片为14*14*8 进过conv2变成 12*12*16 其中14为(14-3/1)+1
# 第四次 图片为12*12*16 进过MaxPool2d变成 6*6*16 其中6为(12/2)
# 第五次 图片为6*6*16 进过Linear变成 576 576为6*6*16
class CNNNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(CNNNet,self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,out_channels=8,kernel_size=5,stride=1)
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2,stride=2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=8,out_channels=16,kernel_size=3,stride=1)
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        self.fc1 = nn.Linear(576,128)
        self.fc2 = nn.Linear(128,10)      

    def forward(self,x):
        x=self.pool1(F.relu(self.conv1(x)))
        x=self.pool2(F.relu(self.conv2(x)))
        #print(x.shape)
        x=x.view(-1,16*6*6)
        x=F.relu(self.fc2(F.relu(self.fc1(x))))
        return x

net = CNNNet()
net=net.to(device)
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print("net have {} paramerters in total".format(sum(x.numel() for x in net.parameters())))
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net have 76922 paramerters in total
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import torch.optim as optim
LR=0.001

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)
#optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=LR)

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print(net)
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CNNNet(
  (conv1): Conv2d(3, 8, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (pool1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (conv2): Conv2d(8, 16, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
  (pool2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (fc1): Linear(in_features=576, out_features=128, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=128, out_features=10, bias=True)
)
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#取模型中的前四层
nn.Sequential(*list(net.children())[:4])
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Sequential(
  (0): Conv2d(3, 8, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (2): Conv2d(8, 16, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
  (3): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
)
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训练模型

for epoch in range(1):  

    running_loss = 0.0
    for i, data in enumerate(trainloader, 0):
        # 获取训练数据
        inputs, labels = data
        inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

        # 权重参数梯度清零
        optimizer.zero_grad()

        # 正向及反向传播
        outputs = net(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        # 显示损失值
        running_loss += loss.item()
        if i % 2000 == 1999:    # print every 2000 mini-batches
            print('[%d, %5d] loss: %.3f' %(epoch + 1, i + 1, running_loss / 2000))
            running_loss = 0.0
        break

print('Finished Training')
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Finished Training
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dataiter = iter(testloader)
images, labels = dataiter.next()
#images, labels = images.to(device), labels.to(device)
# print images
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
print('GroundTruth: ', ' '.join('%5s' % classes[labels[j]] for j in range(4)))
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GroundTruth:   frog  frog  deer truck
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images, labels = images.to(device), labels.to(device)
outputs = net(images)
_, predicted = torch.max(outputs, 1)

print('Predicted: ', ' '.join('%5s' % classes[predicted[j]]for j in range(4)))
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Predicted:  horse horse horse horse
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correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():
    for data in testloader:
        images, labels = data
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)
        outputs = net(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % (
    100 * correct / total))
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Accuracy of the network on the 10000 test images: 9 %
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class_correct = list(0. for i in range(10))
class_total = list(0. for i in range(10))
with torch.no_grad():
    for data in testloader:
        images, labels = data
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)
        outputs = net(images)
        _, predicted = torch.max(outputs, 1)
        c = (predicted == labels).squeeze()
        for i in range(4):
            label = labels[i]
            class_correct[label] += c[i].item()
            class_total[label] += 1


for i in range(10):
    print('Accuracy of %5s : %2d %%' % (
        classes[i], 100 * class_correct[i] / class_total[i]))
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Accuracy of plane :  0 %
Accuracy of   car :  0 %
Accuracy of  bird :  0 %
Accuracy of   cat :  0 %
Accuracy of  deer :  0 %
Accuracy of   dog : 51 %
Accuracy of  frog :  0 %
Accuracy of horse :  0 %
Accuracy of  ship :  0 %
Accuracy of truck : 40 %
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