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文章来源于网络收集而来,版权归原创者所有,如有侵权请及时联系!
CNN 卷积神经网络
作者: Morvan 编辑: Morvan
卷积神经网络目前被广泛地用在图片识别上,已经有层出不穷的应用,如果你对卷积神经网络还没有特别了解, 我制作的 卷积神经网络 动画简介 能让你花几分钟就了解什么是卷积神经网络. 接着我们就一步一步做一个分析手写数字的 CNN 吧。
本节内容包括:
MNIST 手写数据
import torch
import torch.nn as nn
from torch.autograd import Variable
import torch.utils.data as Data
import torchvision # 数据库模块
import matplotlib.pyplot as plt
torch.manual_seed(1) # reproducible
# Hyper Parameters
EPOCH = 1 # 训练整批数据多少次,为了节约时间,我们只训练一次
BATCH_SIZE = 50
LR = 0.001 # 学习率
DOWNLOAD_MNIST = True # 如果你已经下载好了 mnist 数据就写上 Fasle
# Mnist 手写数字
train_data = torchvision.datasets.MNIST(
root='./mnist/', # 保存或者提取位置
train=True, # this is training data
transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 转换 PIL.Image or numpy.ndarray 成
# torch.FloatTensor (C x H x W), 训练的时候 normalize 成 [0.0, 1.0] 区间
download=DOWNLOAD_MNIST, # 没下载就下载,下载了就不用再下了
)
# plot one example
print(train_data.train_data.size()) # (60000, 28, 28)
print(train_data.train_labels.size()) # (60000)
plt.imshow(train_data.train_data[0].numpy(), cmap='gray')
plt.title('%i' % train_data.train_labels[0])
plt.show()
黑色的地方的值都是 0, 白色的地方值大于 0.
同样,我们除了训练数据,还给一些测试数据,测试看看它有没有训练好。
test_data = torchvision.datasets.MNIST(root='./mnist/', train=False)
# 批训练 50samples, 1 channel, 28x28 (50, 1, 28, 28)
train_loader = Data.DataLoader(dataset=train_data, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)
# 为了节约时间,我们测试时只测试前 2000 个
test_x = Variable(torch.unsqueeze(test_data.test_data, dim=1), volatile=True).type(torch.FloatTensor)[:2000]/255. # shape from (2000, 28, 28) to (2000, 1, 28, 28), value in range(0,1)
test_y = test_data.test_labels[:2000]
CNN 模型
和以前一样,我们用一个 class 来建立 CNN 模型. 这个 CNN 整体流程是 卷积( Conv2d
) -> 激励函数( ReLU
) -> 池化,向下采样 ( MaxPooling
) -> 再来一遍 -> 展平多维的卷积成的特征图 -> 接入全连接层 ( Linear
) -> 输出
class CNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(CNN, self).__init__()
self.conv1 = nn.Sequential( # input shape (1, 28, 28)
nn.Conv2d(
in_channels=1, # input height
out_channels=16, # n_filters
kernel_size=5, # filter size
stride=1, # filter movement/step
padding=2, # 如果想要 con2d 出来的图片长宽没有变化, padding=(kernel_size-1)/2 当 stride=1
), # output shape (16, 28, 28)
nn.ReLU(), # activation
nn.MaxPool2d(kernel_size=2), # 在 2x2 空间里向下采样, output shape (16, 14, 14)
)
self.conv2 = nn.Sequential( # input shape (1, 28, 28)
nn.Conv2d(16, 32, 5, 1, 2), # output shape (32, 14, 14)
nn.ReLU(), # activation
nn.MaxPool2d(2), # output shape (32, 7, 7)
)
self.out = nn.Linear(32 * 7 * 7, 10) # fully connected layer, output 10 classes
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.conv2(x)
x = x.view(x.size(0), -1) # 展平多维的卷积图成 (batch_size, 32 * 7 * 7)
output = self.out(x)
return output
cnn = CNN()
print(cnn) # net architecture
"""
CNN (
(conv1): Sequential (
(0): Conv2d(1, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))
(1): ReLU ()
(2): MaxPool2d (size=(2, 2), stride=(2, 2), dilation=(1, 1))
)
(conv2): Sequential (
(0): Conv2d(16, 32, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))
(1): ReLU ()
(2): MaxPool2d (size=(2, 2), stride=(2, 2), dilation=(1, 1))
)
(out): Linear (1568 -> 10)
)
"""
训练
optimizer = torch.optim.Adam(cnn.parameters(), lr=LR) # optimize all cnn parameters
loss_func = nn.CrossEntropyLoss() # the target label is not one-hotted
# training and testing
for epoch in range(EPOCH):
for step, (x, y) in enumerate(train_loader): # 分配 batch data, normalize x when iterate train_loader
b_x = Variable(x) # batch x
b_y = Variable(y) # batch y
output = cnn(b_x) # cnn output
loss = loss_func(output, b_y) # cross entropy loss
optimizer.zero_grad() # clear gradients for this training step
loss.backward() # backpropagation, compute gradients
optimizer.step() # apply gradients
if step % 50 == 0:
# 用 test 数据来验证准确率
test_output = cnn(test_x)
pred_y = torch.max(test_output, 1)[1].data.squeeze()
accuracy = sum(pred_y == test_y) / test_y.size(0)
print('Epoch: ', epoch, '| train loss: %.4f' % loss.data[0], '| test accuracy: %.2f' % accuracy)
"""
...
Epoch: 0 | train loss: 0.0306 | test accuracy: 0.97
Epoch: 0 | train loss: 0.0147 | test accuracy: 0.98
Epoch: 0 | train loss: 0.0427 | test accuracy: 0.98
Epoch: 0 | train loss: 0.0078 | test accuracy: 0.98
"""
最后我们再来取 10 个数据,看看预测的值到底对不对:
test_output = cnn(test_x[:10])
pred_y = torch.max(test_output, 1)[1].data.numpy().squeeze()
print(pred_y, 'prediction number')
print(test_y[:10].numpy(), 'real number')
"""
[7 2 1 0 4 1 4 9 5 9] prediction number
[7 2 1 0 4 1 4 9 5 9] real number
"""
所以这也就是在我 github 代码 中的每一步的意义啦。
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