Pytorch-手写数字识别

以识别手写数字为例,手写数字从0-9
p r e = W 3 ∗ ( W 2 ( W 1 X + b 1 ) + b 2 ) + b 3 pre = W_3*(W_2(W_1X+b_1)+b_2)+b_3 pre=W3∗(W2(W1X+b1)+b2)+b3

上述式子是一个很简单的线性模型,但是线性模型并不能应用到复杂任务上去,我们在每一次线性的后边加入一个激活函数,增强模型的非线性表达能力。
H 1 = r e l u ( X W 1 + b 1 ) H 2 = r e l u ( H 1 W 2 + b 2 ) H 3 = r e l u ( H 2 W 3 + b 3 ) H_1=relu(XW_1+b_1) \\ H_2 = relu(H_1W_2+b_2) \\ H_3 = relu(H_2W_3+b_3) H1=relu(XW1+b1)H2=relu(H1W2+b2)H3=relu(H2W3+b3)

pre输出是one-hot向量
[0.1 0.8 .... 0.01]

label:
[0 1 0 0 0...]

这个意思是这个数字是1, 模型预测这个数字为1的概率为0.8
max(pred) = 0.8 argmax(pred) = 1

实际操作

4-steps

  • load data
  • Build Model
  • Train
  • Test

实战代码

csharp 复制代码
import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from torch import optim

import torchvision
from matplotlib import pyplot as plt
import utils

batch_size = 512

# step 1、 load dataset
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(torchvision.datasets.MNIST('mnist_data',
                                                                      train=True,
                                                                      download=True,
                                                                      transform=torchvision.transforms.Compose([
                                                                          # 将输入图像或Numpy数组转换为tensor
                                                                          # 将原始图像的像素值从[0, 255]缩放到 [0, 1]
                                                                          torchvision.transforms.ToTensor(),
                                                                          # 均值-标准差归一化,均值,方差,对于图像的通道,都需要指定一个均值
                                                                          #但这是灰度图,因此只需要一个
                                                                          # x' = x-u/sigma
                                                                          torchvision.transforms.Normalize(
                                                                              (0.1307,), (0.3081,)
                                                                          )
                                                                      ])),
                                           batch_size=batch_size, shuffle=True)

test_loader = torch.utils.data.DataLoader(
    torchvision.datasets.MNIST('mnist_data/', train=False, download=True,
                               transform=torchvision.transforms.Compose([
                                   torchvision.transforms.ToTensor(),
                                   torchvision.transforms.Normalize(
                                       (0.1307,), (0.3081,)
                                   )
                               ])),batch_size=batch_size,shuffle=False
)


x,y = next(iter(train_loader))
print(x.shape, y.shape, x.min(), x.max())
utils.plot_image(x, y, 'image sample')

class Net(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        #xw+b
        self.fc1 = nn.Linear(28*28, 256)
        self.fc2 = nn.Linear(256, 64)
        self.fc3 = nn.Linear(64, 10)

    def forward(self, x):
        # x: [b, 1, 28, 28]
        # h1 = relu(xw1+b1)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        # h2 = relu(h1w2+b2)
        x = F.relu(self.fc2(x))
        # h3 = relu(h2w3+b3)
        x = self.fc3(x)
        return x

net = Net()
# [w1, b1, w2, b2, w3, b3]
# 设置需要优化的参数,学习率
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)
train_loss = []
for epoch in range(3):

    for batch_idx, (x, y) in enumerate(train_loader):

        # x: [b, 1, 28, 28], y:[512]
        # [b, feature]
        x = x.view(x.size(0), 28*28)
        # > [b,10]
        out = net(x)
        y_onehot = utils.one_hot(y)
        # loss = mse(out, y_onehot)
        loss = F.mse_loss(out, y_onehot)
        # 梯度清零,梯度计算基于当前批次数据,确保模型训练过程的正确性和稳定性
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        # 更新参数
        # w' = w - lr*grad
        optimizer.step()
        train_loss.append(loss.item())
        if batch_idx % 10 == 0:
            print(epoch,batch_idx,loss.item())

utils.plot_curve(train_loss)
# we get optimal [w1, b1, w2, b2, w3, b3]


# test
total_correct = 0
for x, y in test_loader:
    x = x.view(x.size(0), 28*28)
    out = net(x)
    # out: [b, 10]
    pred = out.argmax(dim=1)
    correct = pred.eq(y).sum().float()
    total_correct += correct

total_num = len(test_loader.dataset)
acc = total_correct / total_num
print('test acc:', acc)

# 可视化
x, y = next(iter(test_loader))
out = net(x.view(x.size(0), 28*28))
pred = out.argmax(dim=1)
utils.plot_image(x, pred, 'test')
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