【卷积神经网络】基于CIFAR10数据集实现图像分类【构建、训练、预测】

逐梦苍穹2024-08-08 4:08

文章目录

  • 1、内容简介
  • 2、CIFAR10 数据集
    • 2.1、数据集概述
    • 2.2、代码使用
      • 2.2.1、查看数据集基本信息
      • 2.2.2、数据加载器
      • 2.2.3、完整代码
  • 3、搭建图像分类网络🔺
    • 3.1、网络结构⭐
    • 3.2、代码构建网络⭐
  • 4、编写训练函数
    • 4.1、多分类交叉熵损失函数🔺
    • 4.2、Adam🔺
    • 4.3、训练函数代码
      • 4.3.1、代码
      • 4.3.2、训练过程说明⭐
      • 4.3.3、重要代码解读
  • 5、预测函数
    • 5.1、代码
    • 5.2、model.eval()⭐
  • 6、完整代码
    • 6.1、CPU
    • 6.2、GPU
  • 7、改进之处🔺
  • 8、小结

🍃作者介绍：双非本科大三网络工程专业在读，阿里云专家博主，专注于Java领域学习，擅长web应用开发、数据结构和算法，初步涉猎人工智能和前端开发。

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📕所属专栏：人工智能

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1、内容简介

本章学习目标：

了解CIFAR10数据集

掌握分类网络搭建

掌握模型构建流程

本文用前面的学习到的知识来构建一个卷积神经网络，并 训练该网络实现 图像分类

要完成这个案例，需要学习的内容如下：

  1. 了解 CIFAR10 数据集
  2. 搭建卷积神经网络
  3. 编写训练函数
  4. 编写预测函数

2、CIFAR10 数据集

CIFAR-10 数据集是计算机视觉领域非常著名的一个数据集，常用于图像分类和机器学习算法的训练和评估。

以下是一些关于 CIFAR-10 数据集的详细信息：

2.1、数据集概述

数据集内容 ：CIFAR-10 数据集包含 10 个类别的 60000 张 32x32 像素的彩色图像；
类别 ：飞机（airplane）、汽车（automobile）、鸟（bird）、猫（cat）、鹿（deer）、狗（dog）、青蛙（frog）、马（horse）、船（ship）、卡车（truck）；
训练和测试集：50000 张训练图像和 10000 张测试图像。

总结起来一句话：

CIFAR-10数据集5万张训练图像、1万张测试图像、10个类别、每个类别有6k个图像，图像大小32×32×3。

下图列举了10个类，每一类随机展示了10张图片：

官网显示如下：

2.2、代码使用

不用自己去下载了，在PyTorch 中的 torchvision.datasets 计算机视觉模块封装了 CIFAR10 数据集 ，方便我们使用。
重中之重，先导包：

2.2.1、查看数据集基本信息

输出如下：

这里如果没有下载过数据集的，需要在代码里面指定'download=True'：

下载过后再运行代码，就不会重复运行了：

显示文件夹已下载

2.2.2、数据加载器

调用DataLoader：from torch.utils.data import DataLoader

输出如下：

2.2.3、完整代码

python 复制代码 
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author: CSDN@逐梦苍穹
# @Time: 2024/8/2 23:10
from torchvision.datasets import CIFAR10  # 导入 CIFAR10 数据集类
from torchvision.transforms import Compose  # 导入 Compose 用于组合多个数据变换
from torchvision.transforms import ToTensor  # 导入 ToTensor 用于将图像转换为张量
from torch.utils.data import DataLoader  # 导入 DataLoader 用于批量加载数据


# 1. 数据集基本信息
def test01():
    # TODO 加载训练集，使用 ToTensor 将图像转换为张量
    train = CIFAR10(root='data', train=True, download=True, transform=Compose([ToTensor()]))
    # TODO 加载测试集，使用 ToTensor 将图像转换为张量
    valid = CIFAR10(root='data', train=False, download=True, transform=Compose([ToTensor()]))
    # 输出训练集的数量
    print('训练集数量:', len(train.targets))
    # 输出测试集的数量
    print('测试集数量:', len(valid.targets))
    # 输出训练集中第一张图像的形状
    print("数据集形状:", train[0][0].shape)
    # 输出数据集类别及其对应的索引
    print("数据集类别:", train.class_to_idx)


# 2. 数据加载器
def test02():
    # 加载训练集，使用 ToTensor 将图像转换为张量
    train = CIFAR10(root='data', train=True, transform=Compose([ToTensor()]))
    # 创建数据加载器，每批加载 8 张图像，并打乱顺序
    dataloader = DataLoader(train, batch_size=8, shuffle=True)
    # 遍历数据加载器，取出一批数据
    for x, y in dataloader:
        # 输出一批数据的图像张量形状
        print(x.shape)
        # 输出一批数据的标签
        print(y)
        # 只取一批数据就跳出循环
        break


# 主函数
if __name__ == '__main__':
    # 运行数据集基本信息函数
    test01()
    # 运行数据加载器函数
    test02()

3、搭建图像分类网络🔺

3.1、网络结构⭐

我们要搭建的网络结构如下：

下面是这个图的详细解释：

  1. 输入形状：32x32
  2. 第一个卷积层：
  • 输入 Channel：3（因为输入是一个 32×32 的彩色图像，有 RGB 三个通道）
  • 输出 Channel：6（图中显示第一个卷积层有 6 个输出特征图，说明使用了 6 个卷积核）
  • Kernel Size：3×33 \times 33×3（每个卷积核的大小）
  1. 第一个池化层输入 30x30, 输出 15x15, Kernel Size 为: 2x2, Stride 为: 2
  2. 第二个卷积层 输入 6 个 Channel, 输出 16 个 Channel, Kernel Size 为 3x3
  3. 第二个池化层 输入 13x13, 输出 6x6, Kernel Size 为: 2x2, Stride 为: 2
  4. 第一个全连接层输入 576 维, 输出 120 维
  5. 第二个全连接层 输入 120 维, 输出 84 维
  6. 最后的输出层输入 84 维, 输出 10 维

3.2、代码构建网络⭐

我们在每个卷积计算之后应用 relu 激活函数来给网络增加非线性因素。

relu函数公式： ReLU ( x ) = max ⁡ ( 0 , x ) \text{ReLU}(x) = \max(0, x) ReLU(x)=max(0,x)

网络代码实现------定义一个图像分类的神经网络类，继承自 nn.Module。

类里面实现两个方法：init (self)和forward(self, x)：
init (self)初始化：

forward(self, x)前向传播：

4、编写训练函数

我们的训练时，使用多分类交叉熵损失函数 ，Adam 优化器 。

下面先简单复习一下这两个概念。

4.1、多分类交叉熵损失函数🔺

多分类交叉熵损失函数（Multiclass Cross-Entropy Loss）是深度学习中常用的损失函数，特别适用于多分类任务。

它计算模型 输出的概率分布与 真实类别分布之间的差异 。

对于一个具有 N N N 个样本和 C C C 类别的多分类问题，多分类交叉熵损失函数定义为：
Loss = − 1 N ∑ i = 1 N ∑ c = 1 C y i , c log ⁡ ( y ^ i , c ) \text{Loss} = -\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} \sum_{c=1}^{C} y_{i,c} \log(\hat{y}_{i,c}) Loss=−N1∑i=1N∑c=1Cyi,clog(y^i,c)
其中：

  • N N N 是样本数量。
  • C C C 是类别数量。
  • y i , c y_{i,c} yi,c 是样本 i i i 的真实标签，如果样本 i i i 的真实类别是 c c c，则 y i , c = 1 y_{i,c} = 1 yi,c=1，否则 y i , c = 0 y_{i,c} = 0 yi,c=0。
  • y ^ i , c \hat{y}_{i,c} y^i,c 是模型对样本 i i i 的类别 c c c 的预测概率。

实现：

  1. 在PyTorch中，多分类交叉熵损失函数可以使用 torch.nn.CrossEntropyLoss 类来实现。
  2. 该类结合了 nn.LogSoftmax 和 nn.NLLLoss，因此无需手动应用 softmax 函数到模型的输出。
  3. CrossEntropyLoss 会自动计算 softmax，然后再计算交叉熵损失。

4.2、Adam🔺

Adam简介：

Adam（Adaptive Moment Estimation）优化器是 深度学习中常用的一种优化算法。
它结合了AdaGrad和RMSProp的优点，既能够适应稀疏梯度，又能够处理非平稳目标。
Adam通过计算梯度的 一阶和二阶矩估计来 动态调整 每个参数 的 学习率。

一阶动量是梯度的指数加权移动平均。它可以看作是梯度的平均值，表示了梯度的方向和大小。

二阶动量是梯度平方的指数加权移动平均。它可以看作是梯度的方差，表示了梯度的变化范围。

Adam 优化器的关键特点：

  1. 自适应学习率：每个参数都有独立的学习率，可以根据一阶和二阶梯度估计动态调整。
  2. 计算效率 ：相对于 简单的随机梯度下降 （SGD） ，Adam计算效率高，存储需求小。
  3. 适用于大规模数据集：在处理大规模数据集和高维参数空间时表现优越。
  4. 默认超参数效果好：在许多情况下，Adam的默认超参数配置能取得很不错的效果。

Adam通过以下公式来更新参数：

  1. 计算梯度的移动平均 ：
    • m t = β 1 m t − 1 + ( 1 − β 1 ) g t m_t = \beta_1 m_{t-1} + (1 - \beta_1) g_t mt=β1mt−1+(1−β1)gt
    • v t = β 2 v t − 1 + ( 1 − β 2 ) g t 2 v_t = \beta_2 v_{t-1} + (1 - \beta_2) g_t^2 vt=β2vt−1+(1−β2)gt2
    • 其中， g t g_t gt 是当前时间步的梯度， m t m_t mt 和 v t v_t vt 分别是梯度的一阶和二阶矩的移动平均， β 1 \beta_1 β1 和 β 2 \beta_2 β2 是衰减率（通常取 β 1 = 0.9 \beta_1 = 0.9 β1=0.9 和 β 2 = 0.999 \beta_2 = 0.999 β2=0.999）。
  2. 偏差修正 ：
    • m t ^ = m t 1 − β 1 t \hat{m_t} = \frac{m_t}{1 - \beta_1^t} mt^=1−β1tmt
    • v t ^ = v t 1 − β 2 t \hat{v_t} = \frac{v_t}{1 - \beta_2^t} vt^=1−β2tvt
  3. 参数更新 ：
    • θ t = θ t − 1 − α m t ^ v t ^ + ϵ \theta_t = \theta_{t-1} - \alpha \frac{\hat{m_t}}{\sqrt{\hat{v_t}} + \epsilon} θt=θt−1−αvt^ +ϵmt^
    • 其中， α \alpha α 是学习率， ϵ \epsilon ϵ 是一个小常数（防止分母为零，通常取 1 0 − 8 10^{-8} 10−8）。

4.3、训练函数代码

4.3.1、代码

python 复制代码 
# 训练模型
def train(BATCH_SIZE, epoch) -> None:
    """
    Args:
        BATCH_SIZE (int): 批量大小。
        epoch (int): 训练轮数。
    """
    # 定义图像转换操作，将图像转换为张量
    transgform = Compose([ToTensor()])
    # 加载 CIFAR10 训练集，并应用定义的图像转换操作
    cifar10 = torchvision.datasets.CIFAR10(root='data', train=True, download=True, transform=transgform)
    # TODO 构建图像分类模型, 此时完成卷积神经网络初始化
    model = ImageClassification()
    # 定义损失函数为交叉熵损失
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    # 定义优化器为 Adam，学习率为 1e-3
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)
    for epoch_idx in range(epoch):
        # 构建数据加载器，批次大小为 BATCH_SIZE，打乱数据顺序
        dataloader = DataLoader(cifar10, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)
        # 初始化样本数量
        sam_num = 0
        # 初始化损失总和
        total_loss = 0.0
        # 记录开始时间
        start = time.time()
        # 初始化正确分类样本数量
        correct = 0
        for x, y in dataloader:
            # TODO 开始训练
            # 将输入数据送入模型，得到输出
            output = model(x)
            # 计算损失
            loss = criterion(output, y)
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 反向传播，计算梯度
            loss.backward()
            # 更新模型参数
            optimizer.step()
            # 计算正确分类的样本数量
            correct += (torch.argmax(output, dim=-1) == y).sum().item()
            # 累加损失
            total_loss += (loss.item() * len(y))
            # 累加样本数量
            sam_num += len(y)
        # 打印每个 epoch 的损失、准确率和训练时间
        print('epoch:%2s loss:%.5f acc:%.2f time:%.2fs' %
              (epoch_idx + 1,
               total_loss / sam_num,
               correct / sam_num,
               time.time() - start))
    # 序列化模型，将模型参数保存到文件
    torch.save(model.state_dict(), 'model/image_classification.bin')

4.3.2、训练过程说明⭐

  1. 定义图像转换操作
  2. 加载 CIFAR10 训练集
  3. 构建图像分类模型
  4. 定义损失函数
  5. 定义优化器
  6. 进行多个 epoch 的训练 ：
    • 6.1 构建数据加载器 ：
      • 使用 DataLoader 构建数据加载器，设置批次大小为 BATCH_SIZE，并打乱数据顺序。
    • 6.2 初始化样本数量计数器 ：
      • sam_num 初始化为 0，用于记录样本数量。
    • 6.3 初始化损失总和计数器 ：
      • total_loss 初始化为 0.0，用于累加每个批次的损失。
    • 6.4 初始化正确分类样本数量计数器：
    • 6.5 进行一个批次的训练 ：
      • 6.5.1 将输入数据送入模型
      • 6.5.2 计算损失------计算预测输出与真实标签之间的损失
      • 6.5.3 梯度清零
      • 6.5.4 反向传播，计算梯度 ：loss.backward()
      • 6.5.5 更新模型参数 ：optimizer.step()
      • 6.5.6 计算正确分类的样本数量
      • 6.5.7 累加当前批次的损失
      • 6.5.8 累加当前批次的样本数量

4.3.3、重要代码解读


分步解释：

  1. torch.argmax(output, dim=-1) :
    • torch.argmax 函数返回指定维度上最大值的索引。
    • output 是模型的输出，通常是一个包含预测分数的张量。
    • dim=-1 指定在最后一个维度上寻找最大值的索引，通常这个维度对应于类别的维度。
    • 结果是一个张量，其中包含每个样本的预测类别索引。
  2. (torch.argmax(output, dim=-1) == y) :
    • y 是实际的标签张量。
    • torch.argmax(output, dim=-1) 计算得到的是模型的预测类别索引。
  3. sum() :
    • 对布尔张量中的元素求和。
    • 在 PyTorch 中，布尔值 True 被视为 1，False 被视为 0。

假设有一个批次的输出 output 和真实标签 y，形状分别为 [4, 3] 和 [4]：

输出结果为：

5、预测函数

5.1、代码

我们加载训练好的模型，对测试集中的 1 万条样本进行预测，查看模型在测试集上的准确率。
代码总览：

程序输出结果（这是读取训练10轮的模型）：

训练过程：

我独显的算力不行，凑合看吧😭

5.2、model.eval()⭐

在深度学习中，模型在训练和评估（推理）阶段的行为可能会有所不同。

PyTorch 提供了 model.train() 和 model.eval() 两种模式，用于切换模型在训练和评估时的行为。
model.train() 与 model.eval()：

  • model.train() ：
    • 用于设置模型为训练模式。
    • 这会启用训练时特有的操作，例如 Dropout 和 Batch Normalization。
    • Dropout 在训练时会随机地丢弃部分神经元，以防止过拟合；Batch Normalization 在训练时会根据当前批次的数据动态调整均值和方差。
  • model.eval() ：
    • 用于设置模型为评估模式。
    • 这会关闭训练时特有的操作，例如 Dropout 和 Batch Normalization 的动态调整。
    • Dropout 在评估时不丢弃任何神经元；Batch Normalization 在评估时使用训练时计算的全局均值和方差，而不是当前批次的数据。

6、完整代码

6.1、CPU

python 复制代码 
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author: CSDN@逐梦苍穹
# @Time: 2024/8/3 2:21
import torch  # 导入 PyTorch 主库
import torch.nn.functional as F  # 导入 PyTorch 的神经网络功能模块
import torch.nn as nn  # 导入 PyTorch 的神经网络模块
import torch.optim as optim  # 导入 PyTorch 的优化器模块
import torchvision  # 导入 PyTorch 的计算机视觉工具包
from torchvision.transforms import Compose  # 导入 Compose 用于组合多个数据变换
from torchvision.transforms import ToTensor  # 导入 ToTensor 用于将图像转换为张量
from torch.utils.data import DataLoader  # 导入数据加载器模块
import time  # 导入时间模块


# 定义一个图像分类的神经网络类，继承自 nn.Module
class ImageClassification(nn.Module):
    # 初始化方法，定义网络的层
    def __init__(self):
        super(ImageClassification, self).__init__()  # 调用父类的初始化方法
        # 定义第一个卷积层：输入通道数 3，输出通道数 6，卷积核大小 3x3
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, stride=1, kernel_size=3)
        # 定义第一个池化层：池化核大小 2x2，步幅 2
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 定义第二个卷积层：输入通道数 6，输出通道数 16，卷积核大小 3x3
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, stride=1, kernel_size=3)
        # 定义第二个池化层：池化核大小 2x2，步幅 2
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 定义第一个全连接层：输入节点数 576，输出节点数 120
        self.linear1 = nn.Linear(576, 120)
        # 定义第二个全连接层：输入节点数 120，输出节点数 84
        self.linear2 = nn.Linear(120, 84)
        # 定义输出层：输入节点数 84，输出节点数 10（对应 10 个分类）
        self.out = nn.Linear(84, 10)

    # 前向传播方法，定义数据如何通过网络层
    def forward(self, x):
        # TODO 应用第一个卷积层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.conv1(x))
        # 应用第一个池化层
        x = self.pool1(x)
        # TODO 应用第二个卷积层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.conv2(x))
        # 应用第二个池化层
        x = self.pool2(x)
        # TODO 展平操作，将多维特征图展平为一维向量
        # TODO x.size(0)获取第一个维度的大小, 即 batch_size； -1表示自动计算
        # TODO 如果批次大小为 1, 特征为16x6x6, 则展平后的输入形状为[1,576]
        # TODO 由于最后一个批次可能不够 32，所以需要根据批次数量来 flatten
        x = x.reshape(x.size(0), -1)
        # 应用第一个全连接层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.linear1(x))
        # 应用第二个全连接层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.linear2(x))
        # TODO 返回输出层的结果
        return self.out(x)


# 训练模型
def train(BATCH_SIZE, epoch) -> None:
    """
    Args:
        BATCH_SIZE (int): 批量大小。
        epoch (int): 训练轮数。
    """
    # 定义图像转换操作，将图像转换为张量
    transgform = Compose([ToTensor()])
    # 加载 CIFAR10 训练集，并应用定义的图像转换操作
    cifar10 = torchvision.datasets.CIFAR10(root='data', train=True, download=True, transform=transgform)  # TODO train=False测试集
    # TODO 构建图像分类模型, 此时完成卷积神经网络初始化
    model = ImageClassification()
    # 定义损失函数为交叉熵损失
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    # 定义优化器为 Adam，学习率为 1e-3
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)
    for epoch_idx in range(epoch):
        # 构建数据加载器，批次大小为 BATCH_SIZE，打乱数据顺序
        dataloader = DataLoader(cifar10, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)
        # 初始化样本数量
        sam_num = 0
        # 初始化损失总和
        total_loss = 0.0
        # 记录开始时间
        start = time.time()
        # 初始化正确分类样本数量
        correct = 0
        for x, y in dataloader:
            # TODO 开始训练
            # 将输入数据送入模型，得到输出
            output = model(x)
            # 计算损失
            loss = criterion(output, y)
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 反向传播，计算梯度
            loss.backward()
            # 更新模型参数
            optimizer.step()
            # 计算正确分类的样本数量
            correct += (torch.argmax(output, dim=-1) == y).sum().item()
            # 累加损失
            total_loss += (loss.item() * len(y))
            # 累加样本数量
            sam_num += len(y)
        # 打印每个 epoch 的损失、准确率和训练时间
        print('epoch:%2s loss:%.5f acc:%.2f time:%.2fs' %
              (epoch_idx + 1,
               total_loss / sam_num,
               correct / sam_num,
               time.time() - start))
    # 序列化模型，将模型参数保存到文件
    torch.save(model.state_dict(), 'model/image_classification.bin')


# 预测函数
def predict(BATCH_SIZE):
    # TODO 加载 CIFAR10 测试集，并将其转换为张量
    # 使用 Compose 将多个转换操作组合在一起，这里只使用 ToTensor 将图像转换为张量
    transform = Compose([ToTensor()])
    # 使用 torchvision.datasets.CIFAR10 加载 CIFAR10 测试集，设置 train=False 表示加载测试集，transform=transform 表示应用上述的图像转换操作
    cifar10 = torchvision.datasets.CIFAR10(root='data', train=False, download=True, transform=transform)  # TODO train=False测试集
    # TODO 构建数据加载器，用于批量加载测试数据
    dataloader = DataLoader(cifar10, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)  # shuffle=True 表示打乱数据顺序
    # TODO 创建卷积神经网络
    model = ImageClassification()
    # 加载训练好的模型参数
    model.load_state_dict(torch.load('model/image_classification.bin'))
    model.eval()  # TODO 设置模型为评估模式
    total_correct = 0  # 初始化正确分类的样本数量为 0
    total_samples = 0  # 初始化总样本数量为 0
    # 遍历数据加载器，按批次处理数据
    for x, y in dataloader:
        # 将输入数据送入模型，得到输出
        output = model(x)
        # 计算正确分类的样本数量
        total_correct += (torch.argmax(output, dim=-1) == y).sum()
        # 累加当前批次的样本数量
        total_samples += len(y)
    print('Acc: %.2f' % (total_correct / total_samples))


if __name__ == '__main__':
    train(BATCH_SIZE=32, epoch=10)  # 训练模型, 批次大小为 32, 训练轮数为 10
    predict(BATCH_SIZE=32)  # 测试模型, 批次大小为 32

6.2、GPU

python 复制代码 
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author: CSDN@逐梦苍穹
# @Time: 2024/8/3 2:29
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author: CSDN@逐梦苍穹
# @Time: 2024/8/3 2:21
import torch  # 导入 PyTorch 主库
import torch.nn.functional as F  # 导入 PyTorch 的神经网络功能模块
import torch.nn as nn  # 导入 PyTorch 的神经网络模块
import torch.optim as optim  # 导入 PyTorch 的优化器模块
import torchvision  # 导入 PyTorch 的计算机视觉工具包
from torchvision.transforms import Compose  # 导入 Compose 用于组合多个数据变换
from torchvision.transforms import ToTensor  # 导入 ToTensor 用于将图像转换为张量
from torch.utils.data import DataLoader  # 导入数据加载器模块
import time  # 导入时间模块


# 定义一个图像分类的神经网络类，继承自 nn.Module
class ImageClassification(nn.Module):
    # 初始化方法，定义网络的层
    def __init__(self):
        super(ImageClassification, self).__init__()  # 调用父类的初始化方法
        # 定义第一个卷积层：输入通道数 3，输出通道数 6，卷积核大小 3x3
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, stride=1, kernel_size=3)
        # 定义第一个池化层：池化核大小 2x2，步幅 2
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 定义第二个卷积层：输入通道数 6，输出通道数 16，卷积核大小 3x3
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, stride=1, kernel_size=3)
        # 定义第二个池化层：池化核大小 2x2，步幅 2
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 定义第一个全连接层：输入节点数 576，输出节点数 120
        self.linear1 = nn.Linear(576, 120)
        # 定义第二个全连接层：输入节点数 120，输出节点数 84
        self.linear2 = nn.Linear(120, 84)
        # 定义输出层：输入节点数 84，输出节点数 10（对应 10 个分类）
        self.out = nn.Linear(84, 10)

    # 前向传播方法，定义数据如何通过网络层
    def forward(self, x):
        # TODO 应用第一个卷积层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.conv1(x))
        # 应用第一个池化层
        x = self.pool1(x)
        # TODO 应用第二个卷积层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.conv2(x))
        # 应用第二个池化层
        x = self.pool2(x)
        # TODO 展平操作，将多维特征图展平为一维向量
        # TODO x.size(0)获取第一个维度的大小, 即 batch_size； -1表示自动计算
        # TODO 如果批次大小为 1, 特征为16x6x6, 则展平后的输入形状为[1,576]
        # TODO 由于最后一个批次可能不够 32，所以需要根据批次数量来 flatten
        x = x.reshape(x.size(0), -1)
        # 应用第一个全连接层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.linear1(x))
        # 应用第二个全连接层和 ReLU 激活函数
        x = F.relu(self.linear2(x))
        # TODO 返回输出层的结果
        return self.out(x)


# 训练模型
def train(BATCH_SIZE, epoch) -> None:
    """
    Args:
        BATCH_SIZE (int): 批量大小。
        epoch (int): 训练轮数。
    """
    # 定义图像转换操作，将图像转换为张量
    transform = Compose([ToTensor()])
    # 加载 CIFAR10 训练集，并应用定义的图像转换操作
    cifar10 = torchvision.datasets.CIFAR10(root='data', train=True, download=True, transform=transform)
    # TODO 构建图像分类模型, 并将模型移动到设备上
    model = ImageClassification().to(device)
    # 定义损失函数为交叉熵损失
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    # 定义优化器为 Adam，学习率为 1e-3
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)
    for epoch_idx in range(epoch):
        # 构建数据加载器，批次大小为 BATCH_SIZE，打乱数据顺序
        dataloader = DataLoader(cifar10, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)
        # 初始化样本数量
        sam_num = 0
        # 初始化损失总和
        total_loss = 0.0
        # 记录开始时间
        start = time.time()
        # 初始化正确分类样本数量
        correct = 0
        for x, y in dataloader:
            # TODO 将输入数据移动到设备上
            x, y = x.to(device), y.to(device)
            # 将输入数据送入模型，得到输出
            output = model(x)
            # 计算损失
            loss = criterion(output, y)
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 反向传播，计算梯度
            loss.backward()
            # 更新模型参数
            optimizer.step()
            # 计算正确分类的样本数量
            correct += (torch.argmax(output, dim=-1) == y).sum().item()
            # 累加损失
            total_loss += (loss.item() * len(y))
            # 累加样本数量
            sam_num += len(y)
        # 打印每个 epoch 的损失、准确率和训练时间
        print('epoch:%2s loss:%.5f acc:%.2f time:%.2fs' %
              (epoch_idx + 1,
               total_loss / sam_num,
               correct / sam_num,
               time.time() - start))
    # 序列化模型，将模型参数保存到文件
    torch.save(model.state_dict(), 'model-gpu/image_classification.bin')


# 预测函数
def predict(BATCH_SIZE):
    print('device:', device)
    # TODO 加载 CIFAR10 测试集，并将其转换为张量
    # 使用 Compose 将多个转换操作组合在一起，这里只使用 ToTensor 将图像转换为张量
    transform = Compose([ToTensor()])
    # 使用 torchvision.datasets.CIFAR10 加载 CIFAR10 测试集，设置 train=False 表示加载测试集，transform=transform 表示应用上述的图像转换操作
    cifar10 = torchvision.datasets.CIFAR10(root='data', train=False, download=True, transform=transform)
    # TODO 构建数据加载器，用于批量加载测试数据
    dataloader = DataLoader(cifar10, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)  # shuffle=True 表示打乱数据顺序
    # TODO 创建卷积神经网络
    model = ImageClassification()
    # 加载训练好的模型参数
    model.load_state_dict(torch.load('model-gpu/image_classification.bin'))
    model.to(device)  # TODO 将模型移动到设备上
    model.eval()  # TODO 设置模型为评估模式
    total_correct = 0  # 初始化正确分类的样本数量为 0
    total_samples = 0  # 初始化总样本数量为 0
    # 遍历数据加载器，按批次处理数据
    for x, y in dataloader:
        # TODO 将输入数据移动到设备上
        x, y = x.to(device), y.to(device)
        # 将输入数据送入模型，得到输出
        output = model(x)
        # 计算正确分类的样本数量
        total_correct += (torch.argmax(output, dim=-1) == y).sum().item()
        # 累加当前批次的样本数量
        total_samples += len(y)
    print('Acc: %.2f' % (total_correct / total_samples))


if __name__ == '__main__':
    # 选择运行设备
    device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    print("PyTorch版本: ", torch.__version__)  # 打印PyTorch版本
    print("torchvision版本 ", torchvision.__version__)  # 打印torchvision版本
    print("CUDA是否可用: ", torch.cuda.is_available())  # 检查CUDA是否可用
    print("GPU设备数量: ", torch.cuda.device_count())
    print("GPU设备名称: ", torch.cuda.get_device_name(0))
    print("当前设备: ", device)

    # train(BATCH_SIZE=32, epoch=100)  # 训练模型, 批次大小为 32, 训练轮数为 10
    predict(BATCH_SIZE=32)  # 测试模型, 批次大小为 32

7、改进之处🔺

网络模型还可以以下几个方面来调整：

  1. 增加卷积核输出通道数
  2. 增加全连接层的参数量
  3. 调整学习率
  4. 调整优化方法
  5. 修改激活函数
  6. 等等...

比如，对网络参数微调，让网络参数量增加，然后再调整一下学习率，由 1e-3 修改为 1e-4等等操作。

网络模型修改：

可以看到，就是增加了整个卷积神经网络的复杂性。
训练十次差不多提高准确率0.1，训练100次肯定更明显！

100次的你们去跑吧...这网络复杂度上来了，我这设备干不动了......😭

8、小结

本文主要讲解了如何使用卷积层和池化层来设计、构建一个卷积神经网络。
回顾一下训练过程：

  1. 定义损失函数
  2. 定义优化器
  3. 进行多个 epoch 的训练：
    • 3.1 构建数据加载器
    • 3.2 初始化样本数量计数器
    • 3.3 初始化损失总和计数器
    • 3.4 初始化正确分类样本数量计数器
    • 3.5 进行一个批次的训练
      • 3.5.1 将输入数据送入模型
      • 3.5.2 计算损失
      • 3.5.3 梯度清零
      • 3.5.4 反向传播，计算梯度
      • 3.5.5 更新模型参数
      • 3.5.6 计算正确分类的样本数量
      • 3.5.7 累加当前批次的损失
      • 3.5.8 累加当前批次的样本数量
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