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[人工智能]pytorch实现卷积神经网络(LeNet5)

1. 建立LeNet5主干网络

import torch
from torch import nn

# 定义网络模型
class LeNet5(nn.Module):
    #初始化网络
    def __init__(self):
        super(LeNet5, self).__init__()
        
        self.c1 = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=5, padding=2)        
        self.Sigmoid = nn.Sigmoid()
        self.s2 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)       
        self.c3 = nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=5)
        self.s4 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        self.c5 = nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=5)
        
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.f6 = nn.Linear(in_features=256, out_features=512)
        self.output = nn.Linear(in_features=512, out_features=10)
        
    def forward(self, x):
        x = self.Sigmoid(self.c1(x))
        x = self.s2(x)
        x = self.Sigmoid(self.c3(x))
        x = self.s4(x)
        x = self.c5(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.f6(x)
        x = self.output(x)
        return x

if __name__=="__main__":
    x = torch.rand([1, 1, 28, 28])
    model = LeNet5()
    y = model(x)

2. 加载MNIST数据集,训练网络,保存最优网络模型

import torch
from torch import nn
from net import LeNet5
from torch.optim import lr_scheduler
from torchvision import datasets, transforms
import os

#数据转化为tensor格式
data_transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor()
])

#加载训练数据集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./dataset', train=True, transform=data_transform, download=True)
train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset = train_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

#加载测试数据集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./dataset', train=False, transform=data_transform, download=True)
test_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset = test_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

#如果有显卡可以转到GPU
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'

#调用net里定义的网络模型LeNet5 将数据模型转到GPU
model = LeNet5().to(device)

#定义损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

#定义优化器
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3, momentum=0.9)

#学习率每隔10轮变为原来的0.1
lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.1)

#定义训练函数
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    loss, current, n = 0.0, 0.0, 0
    for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
        X, y = X.to(device), y.to(device)
        output = model(X)
        cur_loss = loss_fn(output,y)
        _, pred = torch.max(output, axis=1)
        
        cur_acc = torch.sum(y == pred)/output.shape[0]
        
        optimizer.zero_grad()
        cur_loss.backward()
        optimizer.step()
        
        loss += cur_loss.item()
        current += cur_acc.item()
        n = n + 1
    print("train_loss  " + str(loss/n))
    print("train_acc  " + str(current/n))

def val(dataloader, model, loss_fn):
    model.eval()
    loss, current, n = 0.0, 0.0, 0
    with torch.no_grad():
        for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
            X, y = X.to(device), y.to(device)
            output = model(X)
            cur_loss = loss_fn(output,y)
            _, pred = torch.max(output, axis=1)           
            cur_acc = torch.sum(y == pred)/output.shape[0]          
            loss += cur_loss.item()
            current += cur_acc.item()
            n = n + 1
        print("test_loss  " + str(loss/n))
        print("test_acc  " + str(current/n))   
        
        return current/n
        
#开始训练
epoch = 200
min_acc = 0

for t in range(epoch):
    print(f'epoch{t+1}\n-----------------------------------')
    train(train_dataloader, model, loss_fn, optimizer)
    a = val(test_dataloader, model, loss_fn)
    
    #保存最优模型
    if a > min_acc:
        folder = 'save_model'
        if not os.path.exists(folder):
            os.mkdir('save_model')
        min_acc = a
        print('save best model!!!!!!')
        torch.save(model.state_dict(), 'save_model/best_model.pth')
print('OK!!!!!!!!!!!!!!!!!')

3. 训练过程

epoch1
-----------------------------------
train_loss ?2.30177958946228
train_acc ?0.11585
test_loss ?2.2867366130828857
test_acc ?0.1356
save best model!!!!!!

4. 模型测试

import torch
from net import LeNet5
from torch.autograd import Variable
from torchvision import datasets, transforms
from torchvision.transforms import ToPILImage

#数据转化为tensor格式
data_transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor()
])

#加载训练数据集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./dataset', train=True, transform=data_transform, download=True)
train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset = train_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

#加载测试数据集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./dataset', train=False, transform=data_transform, download=True)
test_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset = test_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

#如果有显卡可以转到GPU
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'

#调用net里定义的网络模型LeNet5 将数据模型转到GPU
model = LeNet5().to(device)

model.load_state_dict(torch.load(r"C:\scj\research\pytorch\save_model\best_model.pth"))

#获取结果
classes = [
    "0",
    "1",
    "2",
    "3",
    "4",
    "5",
    "6",
    "7",
    "8",
    "9",
]

#把tensor转化为图片,方便可视化
show = ToPILImage()

#验证
print(len(test_dataset))
for i in range(len(test_dataset)):
    X, y = test_dataset[i][0], test_dataset[i][1]
#    show(X).show()
    X = Variable(torch.unsqueeze(X, dim=0).float(), requires_grad=False).to(device)  
    with torch.no_grad():
        pred = model(X)
        predicted, actual = classes[torch.argmax(pred[0])], classes[y]
        print(f'figure {str(i)}: predicted: "{predicted}", actual: "{actual}"')

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加:2022-05-12 16:27:40  更:2022-05-12 16:30:50 
 
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