一、神经网络分类与回归任务
学习方法
- 边用边学,torch只是个工具,真正用,查的才是学习的过程
- 直接上框架
首先我们要明白PyTorch 和 NumPy 中的数据结构与设备之间的关系
GPU/CPU | 数据结构 | |
torch | GPU | Tensor张量 |
numpy | CPU | ndarray |
1、神经网络分类任务
分类任务是将输入数据分配到预定义类别中的任务。模型的目标是根据输入特征预测类别标签。
(1)数据集及任务概述
MNIST(Modified National Institute of Standards and Technology)是一个广泛使用的手写数字识别数据集,常用于机器学习和深度学习的入门教程。它包含了 70,000 张手写数字的灰度图像,每个图像的尺寸为 28x28 像素,包含数字 0 到 9。
(2)torch.nn.functional模块
torch.nn.Module
是 PyTorch 中用于构建神经网络模型的基类。你通常会继承这个类来定义自定义的神经网络层或整个模型。nn.Module
提供了一个结构化的方式来定义模型的前向传播(forward
)和其他相关操作。torch.nn.functional
是一个包含许多函数式操作的模块,这些操作通常没有状态(即不涉及可训练的参数)。这些函数是为了完成某些计算或操作,而不需要定义完整的模型类。
什么时候使用nn.Module,什么时候使用nn.functional呢? 一般情况下,如果模型有可学习的参数,最好用nn.Module,其他情况nn.functional相对更简单一些
(3)网络结构说明
以数字九为例神经网络的输入为(784,)784是mnist数据集每个样本的像素点个数,经过神经网络训练得到数字9为每个类别(0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)的概率,概率最大的即为预测结果。
其中结构Mnist_NN( (hidden1): Linear(in_features=784, out_features=128, bias=True) (hidden2): Linear(in_features=128, out_features=256, bias=True) (hidden3): Linear(in_features=256, out_features=512, bias=True) (out): Linear(in_features=512, out_features=10, bias=True) (dropout): Dropout(p=0.5, inplace=False) )
输入为(784,),经过hidden1变成(128,),经过hidden2变成(256,),经过out层变成(10,)。hidden层数可以自己来设定,out是最后输出层、dropout层可有可无。
Dropout 是一种正则化技术,通过在训练过程中随机“丢弃”一部分神经元(使它们在前向传播中不参与计算),Dropout 能够有效地提高模型的泛化能力。例如,如果 dropout rate 是 0.5,那么在每次前向传播时,约 50% 的神经元会被随机选择并且不被激活。这意味着在每个训练步骤中,模型的结构都会有所不同。
import torch.nn.functional as F
import torch
from torch import nn
from pathlib import Path
import requests
import pickle
import gzip
DATA_PATH = Path("data")
PATH = DATA_PATH / "mnist"
PATH.mkdir(parents=True, exist_ok=True)
URL = "http://deeplearning.net/data/mnist/"
FILENAME = "mnist.pkl.gz"
if not (PATH / FILENAME).exists():
content = requests.get(URL + FILENAME).content
(PATH / FILENAME).open("wb").write(content)
with gzip.open((PATH / FILENAME).as_posix(), "rb") as f:
((x_train, y_train), (x_valid, y_valid), _) = pickle.load(f, encoding="latin-1")
#将 NumPy 数组转换为 PyTorch 张量
#注意数据需转换成tensor才能参与后续建模训练!!
x_train, y_train, x_valid, y_valid = map(
torch.tensor, (x_train, y_train, x_valid, y_valid)
)
#其中 n 是样本数量,c 是特征数量
n, c = x_train.shape
x_train, x_train.shape, y_train.min(), y_train.max()
loss_func = F.cross_entropy
#x*w+b
def model(xb):
return xb.mm(weights) + bias
bs = 64
xb = x_train[0:bs] # a mini-batch from x
yb = y_train[0:bs]
weights = torch.randn([784, 10], dtype = torch.float, requires_grad = True)
bs = 64
bias = torch.zeros(10, requires_grad=True)
#定义一个类继承nn.moudle
class Mnist_NN(nn.Module):
#构造函数
def __init__(self):
super().__init__()
self.hidden1 = nn.Linear(784, 128)
self.hidden2 = nn.Linear(128, 256)
self.hidden3 = nn.Linear(256,512)
self.out = nn.Linear(512, 10)
self.dropout = nn.Dropout(0.5)
def forward(self, x):
x = F.relu(self.hidden1(x))
x=self.dropout(x)
x = F.relu(self.hidden2(x))
x=self.dropout(x)
x=F.relu(self.hidden3(x))
x=self.dropout(x)
x = self.out(x)
return x
net = Mnist_NN()
print(net)
(4)使用TensorDataset和DataLoader来简化
- TensorDataset 是一个简单的 Dataset 类,用于将多个 tensor 组合在一起,使得它们可以在迭代时一起返回。通常在需要将特征 tensor 和标签 tensor 组合在一起时使用。
- DataLoader 是一个非常强大的工具,能够方便地加载数据集,进行批处理、打乱数据、并行加载等操作。
model.train()与model.eval()
- 一般在训练模型时加上model.train(),这样会正常使用Batch Normalization和 Dropout
- 测试的时候一般选择model.eval(),这样就不会使用Batch Normalization和 Dropout
from torch.utils.data import TensorDataset
from torch.utils.data import DataLoader
#创建训练数据集和数据加载器
train_ds = TensorDataset(x_train, y_train)
train_dl = DataLoader(train_ds, batch_size=bs, shuffle=True)
#shuffle=True: 在每个训练周期开始时打乱数据,增加训练的随机性,有助于提高模型的泛化能力
#创建验证数据集和数据加载器
valid_ds = TensorDataset(x_valid, y_valid)
valid_dl = DataLoader(valid_ds, batch_size=bs * 2)
def get_data(train_ds, valid_ds, bs):
return (
DataLoader(train_ds, batch_size=bs, shuffle=True),
DataLoader(valid_ds, batch_size=bs * 2),
)
import numpy as np
def fit(steps, model, loss_func, opt, train_dl, valid_dl):
for step in range(steps):
model.train()
#训练模型更新w与b
for xb, yb in train_dl:
loss_batch(model, loss_func, xb, yb, opt)
model.eval()#关闭梯度计算以节省内存
with torch.no_grad():
#zip(*[...]) 将 loss_batch 返回的 (损失, 样本数量) 分别打包成 losses 和 nums
losses, nums = zip(
*[loss_batch(model, loss_func, xb, yb) for xb, yb in valid_dl]
)
val_loss = np.sum(np.multiply(losses, nums)) / np.sum(nums)
#求平均损失
print('当前step:'+str(step), '验证集损失:'+str(val_loss))
from torch import optim
def get_model():
model = Mnist_NN()
return model, optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
def loss_batch(model, loss_func, xb, yb, opt=None):
loss = loss_func(model(xb), yb)
if opt is not None:
loss.backward() # 执行反向传播
opt.step() # 更新模型参数
opt.zero_grad()# 清除梯度除模型参数的梯度,以便下一次迭代时能正确计算新的梯度。梯度在每次反向传播后必须清零,因为 PyTorch 的梯度是累加的。
return loss.item(), len(xb)
train_dl, valid_dl = get_data(train_ds, valid_ds, bs)
model, opt = get_model()
fit(20, model, loss_func, opt, train_dl, valid_dl)
2、神经网络回归任务
回归任务是预测一个连续值或实数的任务。模型的目标是根据输入特征输出一个连续的数值。
下表为回归任务与分类任务的区别
特点 | 回归任务 | 分类任务 |
---|---|---|
输出类型 | 连续值(实数) | 离散类别标签 |
损失函数 | 均方误差(MSE),均绝对误差(MAE) | 交叉熵损失(Cross Entropy Loss) |
模型输出 | 通常是线性激活函数或没有激活函数 | Softmax(多类)或 Sigmoid(二类)激活函数 |
应用场景 | 房价预测、温度预测等 | 图像分类、文本分类等 |
具体步骤懒得写了,想要完整的可以后台私信我
二、卷积网络
1、相关知识
(1)、卷积神经网络与全连接网络的对比
全连接网络将图像视为二维矩阵,每个像素点独立处理,不考虑像素间的关系。 卷积神经网络通过卷积操作选择图像窗口,综合考虑窗口内像素点的关系,提取特征。
(2)、卷积神经网络中的2D、3D和1D的区别
2D卷积主要用于处理图像数据,通过滑动窗口在图像上执行卷积操作。 3D卷积适用于处理视频数据,通过引入时间维度进行特征提取。 1D卷积用于处理结构化数据,如时间序列或文本数据。
2、网络构建
- 一般卷积层,relu层,池化层可以写成一个套餐
- 注意卷积最后结果还是一个特征图,需要把图转换成向量才能做分类或者回归任务
(1)卷积网络模块构建
# 定义超参数
input_size = 28 #图像的总尺寸28*28
num_classes = 10 #标签的种类数
num_epochs = 3 #训练的总循环周期
batch_size = 64 #一个撮(批次)的大小,64张图片
class CNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(CNN, self).__init__()
self.conv1 = nn.Sequential( # 输入大小 (1, 28, 28)
nn.Conv2d(
in_channels=1, # 灰度图
out_channels=16, # 要得到几多少个特征图
kernel_size=5, # 卷积核大小通常与pad对应 5x5对应pad=2,3x3 pad=1
stride=1, # 步长
padding=2, # 如果希望卷积后大小跟原来一样,需要设置padding=(kernel_size-1)/2 if stride=1
), # 输出的特征图为 (16, 28, 28)
nn.ReLU(), # relu层
nn.MaxPool2d(kernel_size=2), # 进行池化操作(2x2 区域), 输出结果为: (16, 14, 14)
)
self.conv2 = nn.Sequential( # 下一个套餐的输入 (16, 14, 14)
nn.Conv2d(16, 32, 5, 1, 2), # 输出 (32, 14, 14)
nn.ReLU(), # relu层
nn.Conv2d(32, 32, 5, 1, 2),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2), # 输出 (32, 7, 7)
)
self.conv3 = nn.Sequential( # 下一个套餐的输入 (16, 14, 14)
nn.Conv2d(32, 64, 5, 1, 2), # 输出 (32, 14, 14)
nn.ReLU(), # 输出 (64, 7, 7)
)
self.out = nn.Linear(64 * 7 * 7, 10) # 全连接层得到的结果
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.conv2(x)
x = self.conv3(x)
x = x.view(x.size(0), -1) # flatten操作 展平操作,结果为:(batch_size, 32 * 7 * 7) -1即自动计算
output = self.out(x)
return output
(2)准确率作为评估标准
def accuracy(predictions, labels):
pred = torch.max(predictions.data, 1)[1] #会返回每个样本在所有类别中的最大值及其索引 取索引
rights = pred.eq(labels.data.view_as(pred)).sum()
return rights, len(labels)
(3)训练网络模型¶
# 实例化
net = CNN()
#损失函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
#优化器
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001) #定义优化器,普通的随机梯度下降算法
#开始训练循环
for epoch in range(num_epochs):
#当前epoch的结果保存下来
train_rights = []
for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader): #针对容器中的每一个批进行循环
net.train()
output = net(data)
loss = criterion(output, target)
optimizer.zero_grad() #清空梯度 每次迭代之前需要手动清空。
loss.backward()
optimizer.step()
right = accuracy(output, target)
train_rights.append(right)
if batch_idx % 100 == 0:
net.eval()
val_rights = []
for (data, target) in test_loader:
output = net(data)
right = accuracy(output, target)
val_rights.append(right)
#准确率计算
train_r = (sum([tup[0] for tup in train_rights]), sum([tup[1] for tup in train_rights]))
val_r = (sum([tup[0] for tup in val_rights]), sum([tup[1] for tup in val_rights]))
print('当前epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\t损失: {:.6f}\t训练集准确率: {:.2f}%\t测试集正确率: {:.2f}%'.format(
epoch, batch_idx * batch_size, len(train_loader.dataset),
100. * batch_idx / len(train_loader),
loss.data,
100. * train_r[0].numpy() / train_r[1],
100. * val_r[0].numpy() / val_r[1]))
三、数据集Dataloader制作
1、如何自定义数据集:
- 1.数据和标签的目录结构先搞定(得知道到哪读数据)
- 2.写好读取数据和标签路径的函数(根据自己数据集情况来写)
- 3.完成单个数据与标签读取函数(给dataloader举一个例子
2、 步骤拆解
(1)读取txt文件中的路径和标签
- 从标注文件中读取数据和标签
- 存成什么格式,都可以的,一会能取出来东西就行
def load_annotations(ann_file): data_infos = {} with open(ann_file) as f: samples = [x.strip().split(' ') for x in f.readlines()] for filename, gt_label in samples: data_infos[filename] = np.array(gt_label, dtype=np.int64) return data_infos
(2)分别把数据和标签都存在list里¶
img_label = load_annotations('./flower_data/train.txt')
image_name = list(img_label.keys())
label = list(img_label.values())
(3)图像数据路径得完整¶
- 因为一会咱得用这个路径去读数据,所以路径得加上前缀
- 以后大家任务不同,数据不同,怎么加你看着来就行,反正得能读到图像
data_dir = './flower_data/'
train_dir = data_dir + '/train_filelist'
valid_dir = data_dir + '/val_filelist'
image_path = [os.path.join(train_dir,img) for img in image_name]
(4)Dataset实现
- 注意要使用from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
- 类名定义class FlowerDataset(Dataset),其中FlowerDataset可以改成自己的名字
- def init(self, root_dir, ann_file, transform=None):咱们要根据自己任务重写
- def getitem(self, idx):根据自己任务,返回图像数据和标签数据
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
class FlowerDataset(Dataset):
def __init__(self, root_dir, ann_file, transform=None):
self.ann_file = ann_file
self.root_dir = root_dir
self.img_label = self.load_annotations()
self.img = [os.path.join(self.root_dir,img) for img in list(self.img_label.keys())]
self.label = [label for label in list(self.img_label.values())]
self.transform = transform
def __len__(self):
return len(self.img)
def __getitem__(self, idx):
image = Image.open(self.img[idx])
label = self.label[idx]
#检查是否定义了任何数据变换操作(如数据增强)。
if self.transform:
image = self.transform(image)
label = torch.from_numpy(np.array(label))
return image, label
def load_annotations(self):
data_infos = {} # 存储文件名和标签的字典
with open(self.ann_file) as f:
samples = [x.strip().split(' ') for x in f.readlines()]
for filename, gt_label in samples:
data_infos[filename] = np.array(gt_label, dtype=np.int64)
return data_infos
(5)数据预处理(transform)
data_transforms = {
'train':
transforms.Compose([
transforms.Resize(64),
transforms.RandomRotation(45),#随机旋转,-45到45度之间随机选
transforms.CenterCrop(64),#从中心开始裁剪
transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5),#随机水平翻转 选择一个概率概率
transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5),#随机垂直翻转
transforms.ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.1, saturation=0.1, hue=0.1),#参数1为亮度,参数2为对比度,参数3为饱和度,参数4为色相
transforms.RandomGrayscale(p=0.025),#概率转换成灰度率,3通道就是R=G=B
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])#均值,标准差
]),
'valid':
transforms.Compose([
transforms.Resize(64),
transforms.CenterCrop(64),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
]),
}
(6)根据写好的class FlowerDataset(Dataset):来实例化咱们的dataloader
train_dataset = FlowerDataset(root_dir=train_dir, ann_file = './flower_data/train.txt', transform=data_transforms['train'])
val_dataset = FlowerDataset(root_dir=valid_dir, ann_file = './flower_data/val.txt', transform=data_transforms['valid'])
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
val_loader = DataLoader(val_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
(7)用之前先试试,整个数据和标签对应下,看看对不对
- 1.别着急往模型里传,对不对都不知道呢
- 2.用这个方法:iter(train_loader).next()来试试,得到的数据和标签是啥
- 3.看不出来就把图画出来,标签打印出来,确保自己整的数据集没啥问题
image, label = iter(train_loader).next()#取一个batch数据 sample = image[0].squeeze() sample = sample.permute((1, 2, 0)).numpy() sample *= [0.229, 0.224, 0.225] sample += [0.485, 0.456, 0.406] plt.imshow(sample) plt.show() print('Label is: {}'.format(label[0].numpy()))
自己制作的dataloader就做好了
四、对抗生成网络(GAN)架构原理与实战解析
1、(GAN)架构原理
(1)GAN 主要由两个部分组成:
-
生成器(Generator):负责生成新的数据样本。它接受随机噪声(通常是从标准正态分布中采样)作为输入,并生成伪造的数据样本。
-
判别器(Discriminator):负责判断输入的数据样本是真实的还是伪造的。它接受真实数据和生成器生成的数据作为输入,并输出一个概率值,表示输入样本是来自真实数据的概率。
(2) GAN 的训练过程包括以下几个步骤:
stp1:生成器生成数据:生成器从随机噪声中生成伪造数据。
stp2:判别器评估数据:判别器接收真实数据和伪造数据,并试图判断它们的来源。
stp3:损失计算:
判别器的目标是最大化对真实数据的正确识别率,并最小化对伪造数据的识别率。
生成器的目标是最大化判别器对伪造数据的错误识别率(即使判别器认为这些伪造数据是真实的)。
stp4反向传播:计算梯度并更新生成器和判别器的参数,使得生成器生成的数据越来越逼近真实数据。
2、GAN实战
数据集选用mnist
(1)生成器生成数据
class Generator(nn.Module):
def __init__(self):
super(Generator, self).__init__()
def block(in_feat, out_feat, normalize=True):
layers = [nn.Linear(in_feat, out_feat)]
if normalize:
layers.append(nn.BatchNorm1d(out_feat, 0.8))
layers.append(nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True))
return layers
self.model = nn.Sequential(
*block(opt.latent_dim, 128, normalize=False),
*block(128, 256),
*block(256, 512),
*block(512, 1024),
#最后一个层:将 1024 维特征映射到图像的特征数量(在 MNIST 中为 784,即 28*28)
nn.Linear(1024, int(np.prod(img_shape))),
nn.Tanh()
)
#输入 z:是生成器的输入,从正态分布中采样的随机噪声。
def forward(self, z):
img = self.model(z)
img = img.view(img.size(0), *img_shape)
return img
(2)判别器
class Discriminator(nn.Module):
def __init__(self):
super(Discriminator, self).__init__()
self.model = nn.Sequential(
nn.Linear(int(np.prod(img_shape)), 512),
nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
nn.Linear(512, 256),
nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),
nn.Linear(256, 1),#将 256 个特征映射到 1 个输出,表示判别器对输入图像的有效性。
nn.Sigmoid(),
)
def forward(self, img):
img_flat = img.view(img.size(0), -1)
validity = self.model(img_flat)
return validity
(3)数据加载
dataloader = torch.utils.data.DataLoader(
datasets.MNIST(
"./data/mnist",
train=True,
download=True,
transform=transforms.Compose(
[transforms.Resize(opt.img_size), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize([0.5], [0.5])]
),
),
batch_size=opt.batch_size,
shuffle=True,
)
(4)模型训练
# Optimizers
optimizer_G = torch.optim.Adam(generator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))
optimizer_D = torch.optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=opt.lr, betas=(opt.b1, opt.b2))
# ----------
# Training
# ----------
for epoch in range(opt.n_epochs):
for i, (imgs, _) in enumerate(dataloader):
# 创建真实标签 (valid)值为 1 和伪造标签 (fake)值为 0
valid = Variable(Tensor(imgs.size(0), 1).fill_(1.0), requires_grad=False)
fake = Variable(Tensor(imgs.size(0), 1).fill_(0.0), requires_grad=False)
# 配置输入图像
real_imgs = Variable(imgs.type(Tensor))
# -----------------
# Train Generator
# -----------------
# 生成器优化器梯度清零
optimizer_G.zero_grad()
# 噪声生成从正态分布的随机噪声 z,其形状为 (batch_size, latent_dim)
z = Variable(Tensor(np.random.normal(0, 1, (imgs.shape[0], opt.latent_dim))))
# 生成伪造数据输出一个形状为 (batch_size, channels, height, width) 的图像张量,通常与真实图像的形状相同。
gen_imgs = generator(z)
# 计算生成器的损失
g_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs), valid)
# 反向传播更新生成器参数
g_loss.backward()
optimizer_G.step()
# ---------------------
# Train Discriminator
# ---------------------
optimizer_D.zero_grad()
# Measure discriminator's ability to classify real from generated samples
real_loss = adversarial_loss(discriminator(real_imgs), valid)
fake_loss = adversarial_loss(discriminator(gen_imgs.detach()), fake)
d_loss = (real_loss + fake_loss) / 2
d_loss.backward()
optimizer_D.step()
print(
"[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss: %f] [G loss: %f]"
% (epoch, opt.n_epochs, i, len(dataloader), d_loss.item(), g_loss.item())
)
batches_done = epoch * len(dataloader) + i
if batches_done % opt.sample_interval == 0:
save_image(gen_imgs.data[:25], "images/%d.png" % batches_done, nrow=5, normalize=True)