PyTorch 实现多种 CNN 模型并采用集成方法提升 CIFAR-10 分类性能

在计算机视觉领域,图像分类是一项基础且关键的任务。CIFAR-10 数据集作为入门级图像分类基准,包含 10 类共 60000 张 32×32 彩色图像,常用于验证模型性能。

一、环境准备与模块导入

首先导入 PyTorch 及相关工具库,用于模型构建、数据处理和训练优化:

二、超参数定义

定义训练过程中的关键超参数:

三、多种 CNN 模型定义

我们实现四种 CNN 模型,以下分别解析其结构设计。

1. CNNNet

2. Net

3. LeNet

4. VGG

四、CIFAR-10 数据加载与预处理

加载 CIFAR-10 并进行预处理,训练集采用数据增强提升泛化能力:

五、模型集成:投票机制

模型集成通过结合多个模型的预测结果提升性能,本文采用投票机制(多数表决):对每个样本,收集所有模型的预测类别,选择得票最多的类别作为最终预测。

六、实验结果与分析

单个简单模型(如 CNNNet、LeNet)在 CIFAR-10 上的准确率通常在 50%-60% 区间。

模型集成(投票机制)可有效提升准确率,通常比单个模型高 5%-10%,这是因为不同模型的预测误差具有互补性。

VGG 等深层模型单独训练也能取得较好性能(迭代多次后可达 70% 以上),与集成方法结合后性能可进一步突破。

七、总结与展望

本文基于 PyTorch 实现了多种 CNN 模型,并通过投票机制的模型集成方法提升了 CIFAR-10 图像分类性能。模型集成利用多模型的互补性,是提升泛化能力的有效手段。

未来可进一步探索:

尝试 ResNet、DenseNet 等更多模型的集成。

采用加权投票、堆叠泛化等更复杂的集成策略。

结合迁移学习提升小数据集上的模型性能。

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