我用 PyTorch 复现了 LeNet-5 神经网络（CIFAR10 数据集篇）！
大家好，我是紅色石頭！
在上兩篇文章：
這可能是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) LeNet-5 最詳細(xì)的解釋了！
我用 PyTorch 復(fù)現(xiàn)了 LeNet-5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MNIST 手寫(xiě)數(shù)據(jù)集篇）！
詳細(xì)介紹了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) LeNet-5 的理論部分和使用 PyTorch 復(fù)現(xiàn) LeNet-5 網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決 MNIST 數(shù)據(jù)集的識(shí)別問(wèn)題。今天我們將使用 Pytorch 來(lái)繼續(xù)實(shí)現(xiàn) LeNet-5 模型，并用它來(lái)解決 CIFAR10 數(shù)據(jù)集的識(shí)別。
正文開(kāi)始！
二、使用LeNet-5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建CIFAR-10識(shí)別分類(lèi)器
LeNet-5 網(wǎng)絡(luò)本是用來(lái)識(shí)別 MNIST 數(shù)據(jù)集的，下面我們來(lái)將 LeNet-5 應(yīng)用到一個(gè)比較復(fù)雜的例子，識(shí)別 CIFAR-10 數(shù)據(jù)集。
CIFAR-10 是由 Hinton 的學(xué)生 Alex Krizhevsky 和 Ilya Sutskever 整理的一個(gè)用于識(shí)別普適物體的小型數(shù)據(jù)集。一共包含 10 個(gè)類(lèi)別的 RGB 彩色圖 片：飛機(jī)（ airlane ）、汽車(chē)（ automobile ）、鳥(niǎo)類(lèi)（ bird ）、貓（ cat ）、鹿（ deer ）、狗（ dog ）、蛙類(lèi)（ frog ）、馬（ horse ）、船（ ship ）和卡車(chē)（ truck ）。圖片的尺寸為 32×32 ，數(shù)據(jù)集中一共有 50000 張訓(xùn)練圄片和 10000 張測(cè)試圖片。
CIFAR-10 的圖片樣例如圖所示。
2.1?下載并加載數(shù)據(jù)，并做出一定的預(yù)先處理
pipline_train = transforms.Compose([#隨機(jī)旋轉(zhuǎn)圖片transforms.RandomHorizontalFlip(),#將圖片尺寸resize到32x32transforms.Resize((32,32)),#將圖片轉(zhuǎn)化為T(mén)ensor格式transforms.ToTensor(),#正則化(當(dāng)模型出現(xiàn)過(guò)擬合的情況時(shí)，用來(lái)降低模型的復(fù)雜度)transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5)) ]) pipline_test = transforms.Compose([#將圖片尺寸resize到32x32transforms.Resize((32,32)),transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5)) ]) #下載數(shù)據(jù)集 train_set = datasets.CIFAR10(root="./data/CIFAR10", train=True, download=True, transform=pipline_train) test_set = datasets.CIFAR10(root="./data/CIFAR10", train=False, download=True, transform=pipline_test) #加載數(shù)據(jù)集 trainloader = torch.utils.data.DataLoader(train_set, batch_size=64, shuffle=True) testloader = torch.utils.data.DataLoader(test_set, batch_size=32, shuffle=False) # 類(lèi)別信息也是需要我們給定的 classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat','deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')2.2 搭建 LeNet-5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并定義前向傳播的過(guò)程
LeNet-5 網(wǎng)絡(luò)上文已經(jīng)搭建過(guò)了，由于 CIFAR10 數(shù)據(jù)集圖像是 RGB 三通道的，因此 LeNet-5 網(wǎng)絡(luò) C1 層卷積選擇的濾波器需要 3 通道，網(wǎng)絡(luò)其它結(jié)構(gòu)跟上文都是一樣的。
class LeNetRGB(nn.Module):def __init__(self):super(LeNetRGB, self).__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5) # 3表示輸入是3通道self.relu = nn.ReLU()self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(2, 2)self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(2, 2)self.fc1 = nn.Linear(16*5*5, 120)self.fc2 = nn.Linear(120, 84)self.fc3 = nn.Linear(84, 10)def forward(self, x):x = self.conv1(x)x = self.relu(x)x = self.maxpool1(x)x = self.conv2(x)x = self.maxpool2(x)x = x.view(-1, 16*5*5)x = F.relu(self.fc1(x))x = F.relu(self.fc2(x))x = self.fc3(x)output = F.log_softmax(x, dim=1)return output2.3 將定義好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭載到 GPU/CPU，并定義優(yōu)化器
使用 SGD（隨機(jī)梯度下降）優(yōu)化，學(xué)習(xí)率為 0.001，動(dòng)量為 0.9。
#創(chuàng)建模型，部署gpu device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") model = LeNetRGB().to(device) #定義優(yōu)化器 optimizer?=?optim.SGD(model.parameters(),?lr=0.01,?momentum=0.9)2.4 定義訓(xùn)練過(guò)程
def train_runner(model, device, trainloader, optimizer, epoch):#訓(xùn)練模型, 啟用 BatchNormalization 和 Dropout, 將BatchNormalization和Dropout置為T(mén)ruemodel.train()total = 0correct =0.0#enumerate迭代已加載的數(shù)據(jù)集,同時(shí)獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)下標(biāo)for i, data in enumerate(trainloader, 0):inputs, labels = data#把模型部署到device上inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)#初始化梯度optimizer.zero_grad()#保存訓(xùn)練結(jié)果outputs = model(inputs)#計(jì)算損失和#多分類(lèi)情況通常使用cross_entropy(交叉熵?fù)p失函數(shù)), 而對(duì)于二分類(lèi)問(wèn)題, 通常使用sigmodloss = F.cross_entropy(outputs, labels)#獲取最大概率的預(yù)測(cè)結(jié)果#dim=1表示返回每一行的最大值對(duì)應(yīng)的列下標(biāo)predict = outputs.argmax(dim=1)total += labels.size(0)correct += (predict == labels).sum().item()#反向傳播loss.backward()#更新參數(shù)optimizer.step()if i % 1000 == 0:#loss.item()表示當(dāng)前l(fā)oss的數(shù)值print("Train Epoch{} \t Loss: {:.6f}, accuracy: {:.6f}%".format(epoch, loss.item(), 100*(correct/total)))Loss.append(loss.item())Accuracy.append(correct/total)return loss.item(), correct/total2.5 定義測(cè)試過(guò)程
def test_runner(model, device, testloader):#模型驗(yàn)證, 必須要寫(xiě), 否則只要有輸入數(shù)據(jù), 即使不訓(xùn)練, 它也會(huì)改變權(quán)值#因?yàn)檎{(diào)用eval()將不啟用 BatchNormalization 和 Dropout, BatchNormalization和Dropout置為Falsemodel.eval()#統(tǒng)計(jì)模型正確率, 設(shè)置初始值correct = 0.0test_loss = 0.0total = 0#torch.no_grad將不會(huì)計(jì)算梯度, 也不會(huì)進(jìn)行反向傳播with torch.no_grad():for data, label in testloader:data, label = data.to(device), label.to(device)output = model(data)test_loss += F.cross_entropy(output, label).item()predict = output.argmax(dim=1)#計(jì)算正確數(shù)量total += label.size(0)correct += (predict == label).sum().item()#計(jì)算損失值print("test_avarage_loss: {:.6f}, accuracy: {:.6f}%".format(test_loss/total, 100*(correct/total)))2.6 運(yùn)行
#調(diào)用 epoch = 20 Loss = [] Accuracy = [] for epoch in range(1, epoch+1):print("start_time",time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S',time.localtime(time.time())))loss, acc = train_runner(model, device, trainloader, optimizer, epoch)Loss.append(loss)Accuracy.append(acc)test_runner(model, device, testloader)print("end_time: ",time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S',time.localtime(time.time())),'\n')print('Finished Training') plt.subplot(2,1,1) plt.plot(Loss) plt.title('Loss') plt.show() plt.subplot(2,1,2) plt.plot(Accuracy) plt.title('Accuracy') plt.show()經(jīng)歷 20 次 epoch 迭代訓(xùn)練之后：
start_time 2021-11-27 22:29:09
Train Epoch20 Loss: 0.659028, accuracy: 68.750000%
test_avarage_loss: 0.030969, accuracy: 67.760000%
end_time: ?2021-11-27 22:29:44
訓(xùn)練集的 loss 曲線和 Accuracy 曲線變化如下：
2.7 保存模型
print(model) torch.save(model, './models/model-cifar10.pth') #保存模型LeNet-5 的模型會(huì) print 出來(lái)，并將模型模型命令為 model-cifar10.pth 保存在固定目錄下。
LeNetRGB((conv1): Conv2d(3, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))(relu): ReLU()(maxpool1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))(maxpool2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(fc1): Linear(in_features=400, out_features=120, bias=True)(fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)(fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True) )2.8 模型測(cè)試
利用剛剛訓(xùn)練的模型進(jìn)行 CIFAR10 類(lèi)型圖片的測(cè)試。
from PIL import Image import numpy as npif __name__ == '__main__':device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')model = torch.load('./models/model-cifar10.pth') #加載模型model = model.to(device)model.eval() #把模型轉(zhuǎn)為test模式#讀取要預(yù)測(cè)的圖片# 讀取要預(yù)測(cè)的圖片img = Image.open("./images/test_cifar10.png").convert('RGB') # 讀取圖像#img.show()plt.imshow(img) # 顯示圖片plt.axis('off') # 不顯示坐標(biāo)軸plt.show()# 導(dǎo)入圖片，圖片擴(kuò)展后為[1，1，32，32]trans = transforms.Compose([#將圖片尺寸resize到32x32transforms.Resize((32,32)),transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])img = trans(img)img = img.to(device)img = img.unsqueeze(0) #圖片擴(kuò)展多一維,因?yàn)檩斎氲奖４娴哪Ｐ椭惺?維的[batch_size,通道,長(zhǎng)，寬]，而普通圖片只有三維，[通道,長(zhǎng)，寬]# 預(yù)測(cè) classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat', 'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')output = model(img)prob = F.softmax(output,dim=1) #prob是10個(gè)分類(lèi)的概率print("概率：",prob)print(predict.item())value, predicted = torch.max(output.data, 1)predict = output.argmax(dim=1)pred_class = classes[predicted.item()]print("預(yù)測(cè)類(lèi)別：",pred_class)輸出：
模型預(yù)測(cè)結(jié)果正確！
以上就是 PyTorch 構(gòu)建 LeNet-5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并用它來(lái)識(shí)別 CIFAR10 數(shù)據(jù)集的例子。全文的代碼都是可以順利運(yùn)行的，建議大家自己跑一邊。
值得一提的是，針對(duì) MNIST 數(shù)據(jù)集和 CIFAR10 數(shù)據(jù)集，最大的不同就是 MNIST 是單通道的，CIFAR10?是三通道的，因此在構(gòu)建 LeNet-5 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，C1層需要做不同的設(shè)置。至于輸入圖片尺寸不一樣，我們可以使用 transforms.Resize 方法統(tǒng)一縮放到 32x32 的尺寸大小。
所有完整的代碼我都放在 GitHub 上，GitHub地址為：
https://github.com/RedstoneWill/ObjectDetectionLearner/tree/main/LeNet-5
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的我用 PyTorch 复现了 LeNet-5 神经网络（CIFAR10 数据集篇）！的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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