经典神经网络之LetNet

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前言：卷积层的输入要求

卷积层对图像的输入顺序有要求，[batch, channel, height, width]，当图片为灰度图是，第一层卷积的in_channels=1，后续out_channels=卷积核数量

图片原本的顺序是(height, width, channels)，需要用permute来处理,并且将数值转换为浮点型

卷积、矩阵乘法等可能无法正确处理非浮点类型的数据。

一、网络结构解读

模型在手写数字识别上具有良好的效果，但是结构较为简单，只涉及卷积，池化，全连接的线性排列，这里不做过多介绍，毕竟神经网络这些参数可解释性都很差，学习他的搭建结构就好

输出特征图的参数计算比较简单，主要是在第一层全连接层的输入那里需要填。

1.1 线性层的最后输出

值得一提的是在 LeNet 模型中，最后一个线性层的输出是一个大小为 10 的向量，这些输出值被称为 logits。这些 logits 是模型对输入图像属于每个类别的原始预测值，还没有经过 Softmax 函数处理。

真正传入softmax，将预测值转变为概率是在训练阶段的交叉熵函数中

二、使用LetNet对FashionMNIST数据集进行识别

2.1 项目结构总览

2.2 plot.py 查看数据集

import torch
from torchvision.datasets import FashionMNIST
import numpy as np
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import transforms
import matplotlib.pyplot as plt
​
transform= transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                           transforms.Resize((28,28)),
                        #    单通道图像，归一化只有一个参数
                           transforms.Normalize([0.286],[0.353])])
​
train_data = FashionMNIST(root="LetNet5\data",
                          train=True,
                          transform=transform,
                          download=True)
​
train_loader = DataLoader(dataset=train_data,batch_size=64,shuffle=True)
​
# 获得一个Batch的数据
for step, (b_x, b_y) in enumerate(train_loader):
    if step > 0:
        break
print(b_x.shape,b_y.shape)
batch_x = b_x.squeeze().numpy()  # 将四维张量移除第1维，并转换成Numpy数组
batch_y = b_y.numpy()  # 将张量转换成Numpy数组
class_label = train_data.classes  # 训练集的标签
print(class_label)
print("The size of batch in train data:", batch_x.shape)  # 每个mini-batch的维度是64*224*224
​
​
​
# 可视化一个Batch的图像
plt.figure(figsize=(20, 15))
for ii in np.arange(len(batch_y)):
    plt.subplot(4, 16, ii + 1)
    plt.imshow(batch_x[ii, :, :], cmap=plt.cm.gray)
    plt.title(class_label[batch_y[ii]], size=10)
    plt.axis("off")
    plt.subplots_adjust(wspace=0.05)
plt.show()

​

2.3 model.py 构建模型结构

import torch
from torch import nn
from torchsummary import summary
​
class LeNet(nn.Module):
    """
    下面是比较详细的参数名，具体参数值详见结构图
    """
    def __init__(self):
        super(LeNet,self).__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            # 最初输入卷积核的维度in_channels设置为1，代表输入灰度图的通道数
            nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2),# outchannel即为卷积核维度
            nn.Sigmoid(),# 引入非线性特性
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5, padding=0),
            nn.AvgPool2d(kernel_size=2),
            nn.Flatten(),# 不要忘记展平操作
            nn.Linear(in_features=16*5*5, out_features=120),# 这里需要根据前面的池化层的输出尺寸来计算in_features
            nn.Linear(in_features=120, out_features=84),
            nn.Linear(in_features=84, out_features=10)
        )
​
    def forward(self,input):
        output = self.model(input)
        return output
​
​
if __name__ =="__main__":
    device_choose = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
​
    model = LeNet().to(device=device_choose)
​
    # 控制台打印模型详细参数
    print(summary(model,input_size=(1,28,28),batch_size=64))
​
    torch.manual_seed(42)
    input = torch.randn((64,1,28,28))
    # print(input)
    output = model(input)
    print(output.shape)

2.4 model_train

import copy
import time
import torch
import torch.optim
from torchvision.datasets import FashionMNIST
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader, random_split
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
from model import LeNet
​
​
​
# 加载数据集
def train_val_data_process():
    transform= transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                            transforms.Resize((28,28)),
                            #    单通道图像，归一化只有一个参数
                            transforms.Normalize([0.286],[0.353])])
​
    train_data = FashionMNIST(root="LetNet5\data",
                            train=True,
                            transform=transform,
                            download=True)
    
    train_data,val_data = random_split(train_data,[round(0.8*len(train_data)),round(0.2*len(train_data))])
    
    # 在多核 CPU 上，设置一个合适的 num_workers 值可以显著提高数据加载效率
    train_loader = DataLoader(dataset=train_data,batch_size=32,shuffle=True,num_workers=8)
    val_loader = DataLoader(dataset=val_data,batch_size=32,shuffle=True,num_workers=8)
​
    return train_loader,val_loader
​
train_loader,val_loader = train_val_data_process()
​
# 模型训练函数
def train_model_process(model,train_loader,val_loader,num_epochs):
​
    device_choose = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
​
    # 交叉熵损失函数
    criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
​
    # 优化器
    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.001)
​
    # 调用模型
    model = model.to(device_choose)
​
    # 复制当前模型参数
    best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())
​
    # 初始化参数
    best_acc = 0.0
​
    # 训练损失值,准确度列表
    train_loss_all,train_acc_all = [],[]
​
    # 验证损失值,准确度列表
    val_loss_all,val_acc_all = [],[]
​
    # 每轮训练时间
    since = time.time()
​
    # 训练循环
    for epoch in range(num_epochs):
​
        time_start = time.time()
        print("Epoch {}/{}".format(epoch, num_epochs-1))
        print("-"*10)
​
        # 当前训练损失值,准确度
        train_loss,train_corrects = 0.0,0.0
​
        # 当前验证损失值,准确度
        val_loss,val_corrects = 0.0,0.0
​
        # 训练集和验证集样本数量
        train_num,val_num = 0,0
​
        # 加载批次数据,下面训练输入为一批次数据，输出位一批次数据的预测
        for train_data in train_loader:
​
            # 解包数据，img 是输入图像，target 是对应的标签
            img_tensor, target = train_data
​
            # 将数据移动到指定的设备（CPU 或 GPU）
            img_tensor = img_tensor.to(device_choose)
            target = target.to(device_choose)
​
            # 打开模型的训练模式
            model.train()
​
            # 前向传播
            output = model(img_tensor)
​
            # dim=1表示查找最大值对应行标
            pre_lab = torch.argmax(output,dim=1)
​
            # 计算每一个batch的交叉熵
            loss = criterion(output,target)
​
            # 梯度初始化为0
            optimizer.zero_grad()
​
            # 反向传播
            loss.backward()
​
            # 更新参数
            optimizer.step()
​
            # 计算损失值和精确度
            # 这里loss是每个样本的平均值，乘以img_tensor.size(0)表示累加值，train_loss表示参与训练全体数据的损失值累加
            train_loss += loss.item() * img_tensor.size(0)
            # 如果预测正确，则准确度train_corrects加1
            train_corrects += torch.sum(pre_lab == target.data)
​
            # 当前用于训练的样本数量，train_num表示参与训练全体数据
            train_num += img_tensor.size(0)
        
        # 加载验证集,验证集不参与模型训练，没有反向传播和梯度更新过程，其他和训练集步骤一致
        for val_data in val_loader:
​
            # 解包数据，img 是输入图像，target 是对应的标签
            img_tensor, target = val_data
​
            # 将数据移动到指定的设备（CPU 或 GPU）
            img_tensor = img_tensor.to(device_choose)
            target = target.to(device_choose)
​
            # 开启模型评估模式
            model.eval()
​
            output = model(img_tensor)
​
            pre_lab = torch.argmax(output,dim=1)
​
            loss = criterion(output,target)
​
            val_loss += loss.item() * img_tensor.size(0)
​
            val_corrects += torch.sum(pre_lab == target.data)
​
            val_num += img_tensor.size(0)
        
        # 计算并保存随着epoch增加，参与训练（和验证）的数据的平均损失值和准确率
        # 训练集
        train_loss_all.append(train_loss / train_num)
        train_acc_all.append(train_corrects / train_num)
​
        # 验证集
        val_loss_all.append(val_loss / val_num)
        val_acc_all.append(val_corrects / val_num)
​
        print(f"{epoch + 1}轮训练 损失值Train loss:{train_loss_all[-1]:.2f}, 精确值Acc:{train_acc_all[-1]:.2f}")
        print(f"{epoch + 1}轮测试 损失值val loss:{val_loss_all[-1]:.2f}, 精确值Acc:{val_acc_all[-1]:.2f}")
​
        if val_acc_all[-1] > best_acc:
            # 保存当前最高准确度
            best_acc = val_acc_all[-1]
            # 保存当前最高准确度的模型参数
            best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())
​
        # 计算一个epoch训练时间
        time_end = time.time()-time_start
        print(f"当前轮次训练耗费的时间：{time_end // 60}m{time_end % 60:.2f}s")
    # 计算总的训练时间
    time_use = time.time() - since
    print(f"训练耗费的时间：{time_use // 60}m{time_use % 60:.2f}s")
    # 选择最优参数，保存最高准确率下的模型参数
    model.state_dict(best_model_wts)
    torch.save(model.state_dict(best_model_wts),"LetNet5/best_model.pth")
​
    # 保存训练过程每一个epoch的计算数据作为训练返回
    train_process = pd.DataFrame(data={"epoch":range(num_epochs),
                                    "train_loss_all":train_loss_all,
                                    "val_loss_all":val_loss_all,
                                    "train_acc_all":train_acc_all,
                                    "val_acc_all":val_acc_all,})
    
    return train_process

def matplot_acc_loss(train_process):
    # 显示每一次迭代后的训练集和验证集的损失函数和准确率
    plt.figure(figsize=(12, 4))
    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.plot(train_process['epoch'], train_process.train_loss_all, "ro-", label="Train loss")
    plt.plot(train_process['epoch'], train_process.val_loss_all, "bs-", label="Val loss")
    plt.legend()
    plt.xlabel("epoch")
    plt.ylabel("Loss")
    plt.subplot(1, 2, 2)
    plt.plot(train_process['epoch'], train_process.train_acc_all, "ro-", label="Train acc")
    plt.plot(train_process['epoch'], train_process.val_acc_all, "bs-", label="Val acc")
    plt.xlabel("epoch")
    plt.ylabel("acc")
    plt.legend()
    plt.show()
​
​
if __name__ == '__main__':
    # 加载需要的模型
    LeNet = LeNet()
    print("-"*50)
    print("模型加载成功")
    print("-"*50)
    # 加载数据集
    train_data, val_data = train_val_data_process()
    print("-"*50)
    print("数据集加载完成")
    print("-"*50)
    # 利用现有的模型进行模型的训练
    print("模型开始训练")
    train_process = train_model_process(LeNet, train_data, val_data, num_epochs=3)
    print("-"*50)
    print("模型训练完成")
    print("-"*50)
    matplot_acc_loss(train_process)
​

2.6 model_test

import torch
from torchvision.datasets import FashionMNIST
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader, random_split
import matplotlib.pyplot as plt
from model import LeNet
​
# 加载测试数据集
def test_data_process():
    transform= transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
                            transforms.Resize((28,28)),
                            #    单通道图像，归一化只有一个参数
                            transforms.Normalize([0.286],[0.353])])
​
    test_data = FashionMNIST(root=r"LetNet5\data",
                            train=False,
                            transform=transform,
                            download=True)
    
    test_loader = DataLoader(dataset=test_data,
                             batch_size=1,# 每次使用一条数据来测试
                             shuffle=True,
                             num_workers=8)
    return test_loader
​
# 模型测试函数
def test_model_process(model,test_loader):
​
    device_choose = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
​
    # 调用模型
    model = model.to(device_choose)
​
    # 初始化参数
    test_corrects = 0.0
    test_num = 0
​
    # 只进行前向传播，不计算梯度
    with torch.no_grad():
               # 加载验证集,验证集不参与模型训练，没有反向传播和梯度更新过程，其他和训练集步骤一致
        for test_data in test_loader:
​
            img_tensor, target = test_data
​
            # 将数据移动到指定的设备（CPU 或 GPU）
            img_tensor = img_tensor.to(device_choose)
            target = target.to(device_choose)
​
            # 进行模型推理
            model.eval()
​
            # 前向传播过程，输入为测试数据集，输出为对每个样本的预测值
            output= model(img_tensor)
            # 查找每一行中最大值对应的行标
            pre_lab = torch.argmax(output, dim=1)
​
            # 展示推理过程
            class_names = ['T-shirt/top', 'Trouser', 'Pullover', 'Dress', 'Coat', 'Sandal', 'Shirt', 'Sneaker', 'Bag', 'Ankle boot']
            result = pre_lab.item()
            label = target.item()
            if result==label:
                print(f"预测值:{class_names[result]}-----真实值:{class_names[label]}-----正确")
            else:
                print(f"预测值:{class_names[result]}-----真实值:{class_names[label]}-----错误")
                
            # 如果预测正确，则准确度test_corrects加1
            test_corrects += torch.sum(pre_lab == target.data)
            # 将所有的测试样本进行累加
            test_num += img_tensor.size(0)
​
        # 计算测试准确率
        test_acc = test_corrects.double().item() / test_num
        print("测试的准确率为：", test_acc)
​
if __name__=="__main__":
    # 加载模型
    model = LeNet()
    model.load_state_dict(torch.load(r'LetNet5\best_model.pth', map_location=torch.device('cpu')))
    # 加载测试数据
    test_loader = test_data_process()
    # 加载模型测试的函数
    test_model_process(model, test_loader)

​后续的训练函数和测试函数都大差不差，主要是model.py中的网络结构需要特别学习