从0开始深度学习(27)——卷积神经网络(LeNet)

1 LeNet神经网络

LeNet是最早的卷积神经网络之一,由Yann LeCun等人在1990年代提出,并以其名字命名。最初,LeNet被设计用于手写数字识别,最著名的应用是在美国的邮政系统中识别手写邮政编码。LeNet架构的成功证明了卷积神经网络在解决实际问题中的有效性,为后续更复杂、更强大的CNN模型的发展奠定了基础。

结构如下:

先用pytorch代码实现该结构:

python 复制代码
import torch
from torch import nn

net=nn.Sequential(
    nn.Conv2d(1,6,kernel_size=5,padding=2),
    nn.Sigmoid(),
    nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
    nn.Conv2d(6,16,kernel_size=5),
    nn.Sigmoid(),
    nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
    nn.Flatten(),
    nn.Linear(16 * 5 * 5, 120), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(120, 84), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(84, 10)
)

我们知道手写数字识别数据集的数据,都是 28 × 28 28\times28 28×28的灰度图,下面我们将输入一个 28 × 28 28\times28 28×28的矩阵,看看经过这个模型过后,会输出什么。

python 复制代码
x=torch.rand(size=(1,1,28,28))
for layer in net:
    x=layer(x)
    print(layer.__class__.__name__,"output shape:",x.shape)
    

运行结果:

可以发现最后输出为 1 × 10 1\times10 1×10的张量,该维度与我们需要的结果分类数(0~9)匹配。

2 模型训练

检测一下LeNet-5在Fashion-MNIST数据集上的表现。

python 复制代码
import torch
from torch import nn,optim
import torchvision
from torch.utils import data
from torchvision import transforms,datasets
from torch.utils.data import DataLoader
from d2l import torch as d2l
import matplotlib.pyplot as plt

net=nn.Sequential(
    nn.Conv2d(1,6,kernel_size=5,padding=2),
    nn.Sigmoid(),
    nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
    nn.Conv2d(6,16,kernel_size=5),
    nn.Sigmoid(),
    nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
    nn.Flatten(),
    nn.Linear(16 * 5 * 5, 120), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(120, 84), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(84, 10)
)

batch_size=128

# 数据预处理
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),  
    transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))  # 标准化到[-1, 1]区间,加快计算
])

# 加载Fashion-MNIST数据集
train_dataset = datasets.FashionMNIST(root='D:/DL_Data/', train=True, download=False, transform=transform)
test_dataset = datasets.FashionMNIST(root='D:/DL_Data/', train=False, download=False, transform=transform)

train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)

# 自定义 try_gpu 函数
def try_gpu(i=0):
    if torch.cuda.device_count() >= i + 1:
        return torch.device(f'cuda:{i}')
    return torch.device('cpu')

def evaluate_acc_gpu(net, data_iter, device=None):
    if isinstance(net, nn.Module):
        net.eval()
        if not device:
            device = next(iter(net.parameters())).device
        metric = d2l.Accumulator(2)
        with torch.no_grad():
            for X, y in data_iter:
                if isinstance(X, list):
                    X = [x.to(device) for x in X]
                else:
                    X = X.to(device)
                y = y.to(device)
                temp = net(X)
                acc = accuracy(temp, y)
                metric.add(acc, y.numel())
    return metric[0] / metric[1]

def train(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, device, train_acc_list,test_acc_list):
    def init_weights(m):
        if type(m) == nn.Linear or type(m) == nn.Conv2d:
            nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
    net.apply(init_weights)
    print("training on", device)
    net.to(device)
    optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)
    loss = nn.CrossEntropyLoss()
    timer = d2l.Timer()
    train_acc_list = train_acc_list
    test_acc_list = test_acc_list
    print("init train_list nad test_list is ok")

    for epoch in range(num_epochs):
        metric = d2l.Accumulator(3)
        net.train()
        for i, (X, y) in enumerate(train_iter):
            optimizer.zero_grad()
            X, y = X.to(device), y.to(device)
            y_hat = net(X)
            l = loss(y_hat, y)
            l.backward()
            optimizer.step()
            with torch.no_grad():
                metric.add(l * X.shape[0], accuracy(y_hat, y), X.shape[0])
        train_l = metric[0] / metric[2]
        train_acc = metric[1] / metric[2]
        train_acc_list.append(train_acc)
        print(f"epoch: {epoch+1}, train_l: {train_l:.3f}, train_acc: {train_acc:.3f}")
        test_acc = evaluate_acc_gpu(net, test_iter)
        test_acc_list.append(test_acc)
        print(f"test acc: {test_acc:.3f}")
    return train_acc_list,test_acc_list

    


# 实现 accuracy 函数
def accuracy(y_hat, y):
    if len(y_hat.shape) > 1 and y_hat.shape[1] > 1:
        y_hat = y_hat.argmax(axis=1)
    cmp = y_hat.type(y.dtype) == y
    return float(cmp.type(y.dtype).sum())
    
lr, num_epochs = 0.9, 10
train_acc_list=[]
test_acc_list=[]

train_acc_list,test_acc_list=train(net, train_loader, test_loader, num_epochs, lr, try_gpu(),train_acc_list,test_acc_list)

print(f"num_epochs: {num_epochs}")
print(f"train_acc_list: {train_acc_list}")
print(f"test_acc_list: {test_acc_list}")

try:
    # 绘制训练和测试准确率的折线图
    epochs = range(1, num_epochs + 1)
    plt.plot(epochs, train_acc_list, 'b', label='Training Accuracy')
    plt.plot(epochs, test_acc_list, 'r', label='Testing Accuracy')
    plt.title('Training and Testing Accuracy')
    plt.xlabel('Epochs')
    plt.ylabel('Accuracy')
    plt.legend()
    plt.show()
except Exception as e:
    print(f"An error occurred: {e}")

运行结果

分析图像可以看出,准确率还没有稳定,说明还有提升空间,可以添加epoch继续训练以获得更准的分类效果

相关推荐
大数据魔法师几秒前
AI Agent(六)- Dify 自定义工具实战 - 基于百度天气 API 搭建天气查询 Agent(天气智查助手)
人工智能
lijgvnns2 分钟前
使用AI工具作为量化盯盘助手的信息处理与研究辅助方法
大数据·人工智能
杨先生哦3 分钟前
【2026热端攻防系列 3/12】反射型&存储型XSS全解:AI批量免杀、WAF绕过与企业级防御
前端·人工智能·笔记·web安全·xss
workflower12 分钟前
基于机器学习的设备故障预测分析方法
人工智能·算法·机器学习·设计模式·语言模型·自然语言处理·重构
لا معنى له15 分钟前
SF2Net: Sequence Feature Fusion Network for Palmprint Verification
人工智能·笔记·学习·机器学习
黄敬峰16 分钟前
从 Canvas 像素级渲染到 AI 驱动开发:前端 2D 游戏与数据可视化实战指南
人工智能
2601_9567436820 分钟前
2026 上海软件定制开发公司:依托 D-coding 解析企业级定制开发的技术方案与落地全路径
大数据·数据库·人工智能·软件开发·开发经验·上海
咕咕AI学堂20 分钟前
Python 消息队列选型:从 Redis Stream 到 Kafka 的工程决策框架
人工智能
信实翻译20 分钟前
跨越语言的长河:纪录片翻译的艺术与科学
人工智能
谁似人间西林客21 分钟前
供应链协同如何赋能汽车智能制造提质增效?
人工智能·汽车·制造