卷积神经网络(LeNet)

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一、导入所用库

import torch from torch import nn from d2l import torch as d2l 

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二、自定义重塑层

class Reshape(nn.Module):     def forward(self, x):         return x.view(-1, 1, 28, 28) 

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三、构建 LeNet 网络

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net = nn.Sequential(     Reshape(),                            # 将输入 (batch, 784) → (batch, 1, 28, 28)     nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5, padding=2),  # 卷积层1:输入通道 1 → 输出通道 6,卷积核 5×5,padding=2 保持宽高不变     nn.Sigmoid(),                         # 激活函数:Sigmoid     nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),    # 平均池化1:kernel=2, stride=2,下采样一半     nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5),      # 卷积层2:6→16,kernel=5×5,默认无 padding → 尺寸缩小     nn.Sigmoid(),                         # Sigmoid 激活     nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),    # 平均池化2     nn.Flatten(),                         # 展平:把多维特征图拉成一维向量     nn.Linear(16 * 5 * 5, 120),          # 全连接层1:输入 16×5×5 → 输出 120     nn.Sigmoid(),                         # Sigmoid 激活     nn.Linear(120, 84),                   # 全连接层2:120 → 84     nn.Sigmoid(),                         # Sigmoid 激活     nn.Linear(84, 10)                     # 输出层:84 → 10 类别 ) 

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四、验证每层输出形状

X = torch.rand(size=(1, 1, 28, 28), dtype=torch.float32) for layer in net:     X = layer(X)     print(layer.__class__.__name__, 'output shape:t', X.shape) 

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五、加载 Fashion-MNIST 数据

batch_size = 256 train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size=batch_size) 

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六、定义 GPU 下的准确率评估函数

def evaluate_accuracy_gpu(net, data_iter, device=None):     """在 GPU 上评估模型在给定数据集上的准确率"""     if isinstance(net, nn.Module):         net.eval()  # 切换到评估模式,关闭 dropout、batchnorm 等         if not device:             device = next(iter(net.parameters())).device     # metric[0] 累积正确预测数;metric[1] 累积样本总数     metric = d2l.Accumulator(2)     with torch.no_grad():         for X, y in data_iter:             X, y = X.to(device), y.to(device)             y_hat = net(X)             metric.add(d2l.accuracy(y_hat, y), y.numel())     return metric[0] / metric[1] 

七、定义训练函数(带 GPU 支持)

def train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, device):     # 1. 权重初始化:对每个线性层和卷积层使用 Xavier 均匀分布初始化     def init_weights(m):         if type(m) in (nn.Linear, nn.Conv2d):             nn.init.xavier_uniform_(m.weight)     net.apply(init_weights)      print('training on', device)     net.to(device)  # 把模型参数搬到指定设备     optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)     loss = nn.CrossEntropyLoss()      # 可视化工具:训练过程实时画图     animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs],                             legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])      timer, num_batches = d2l.Timer(), len(train_iter)     # 2. 训练循环     for epoch in range(num_epochs):         # 累积训练损失、训练正确预测数、样本数         metric = d2l.Accumulator(3)         net.train()  # 切回训练模式         for i, (X, y) in enumerate(train_iter):             timer.start()             X, y = X.to(device), y.to(device)             optimizer.zero_grad()             y_hat = net(X)             l = loss(y_hat, y)             l.backward()             optimizer.step()             with torch.no_grad():                 metric.add(l * y.numel(), d2l.accuracy(y_hat, y), y.numel())             timer.stop()             # 每训练完一个 epoch,或者到达最后一个 batch 时更新可视化             if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:                 animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,                              (metric[0] / metric[2], metric[1] / metric[2], None))         # 每个 epoch 结束后计算一次测试集准确率并更新图示         test_acc = evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter, device)         animator.add(epoch + 1, (None, None, test_acc))     # 输出整体训练速度     print(f'{metric[2] * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec on {device}') 

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八、运行训练

lr, num_epochs = 0.9, 10 train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu()) 

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九、总结

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十、流程概览

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1. 环境准备

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2. 网络构建

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3. 数据加载

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4. 训练循环

for epoch in 1…N:     for 每个 batch (X, y):         1) 前向计算 ŷ = net(X)         2) 计算损失 L = Loss(ŷ, y)         3) 反向传播 L.backward()         4) 优化器更新参数 optimizer.step()         5) 累积训练损失 & 正确率     end-for      # 每跑完一个 epoch:     - 在测试集上评估一次准确率       - 把训练损失、训练准确率、测试准确率推到“动画器”里,实时画图 end-for 

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5. 评估与可视化

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6. 通俗小结

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