基于 CIFAR10 数据集的卷积神经网络(CNN)模型训练与集成学习

1. 环境与模块准备

导入torch、torch.nn、torch.optim等 PyTorch 核心模块,以及numpy、torchvision等工具库,用于模型构建、优化、数据处理;同时定义超参数(如批次大小BATCHSIZE=100、训练轮数EPOCHES=20、学习率LR=0.001等)。

2. 模型定义

构建了多类 CNN 模型,覆盖不同复杂度:

  • 基础 CNN 模型 :CNNNet、Net、LeNet,结构相近,由卷积层(Conv2d) 、池化层(MaxPool2d) 、* 全连接层(Linear)* 组成,通过 ReLU 激活引入非线性,属于轻量型 CNN。
  • VGG 模型 :VGG(支持 VGG16/VGG19),通过配置字典cfg定义 "卷积块 + 池化层" 的重复结构,利用_make_layers方法自动生成层序列,最终接全连接层完成分类,属于深度化 CNN。

3. 数据处理

基于torchvision加载CIFAR10 数据集,并定义数据变换:

  • 训练集:加入RandomCrop(随机裁剪)、RandomHorizontalFlip(水平翻转)增强数据多样性,再通过ToTensor(转张量)、Normalize(标准化)统一数据分布。
  • 测试集:仅保留ToTensor和Normalize,避免数据增强引入额外噪声。随后通过DataLoader创建训练 / 测试数据加载器,实现批量数据迭代。

4. 模型训练与评估

采用两种策略开展训练与性能评估:

  • 集成学习(投票机制) :将CNNNet、Net、LeNet封装为列表,共享Adam优化器与CrossEntropyLoss损失函数。训练时,每个模型独立前向传播、计算损失并反向传播更新参数;测试时,各模型输出预测结果,通过 "多数表决" 得到集成模型的预测,最终对比集成模型与单模型的准确率。
  • 单模型(VGG16)训练 :单独训练VGG('VGG16'),流程与集成方法一致,重点跟踪 VGG16 在每轮训练后的测试准确率。

核心意图

通过对比基础 CNN 模型 、集成模型 与深度 VGG 模型 的性能,展现模型结构复杂度 (如网络深度)、集成学习策略对 CIFAR10 图像分类任务准确率的影响。

5.代码

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