[PyTorch] 笔记03：神经网络

Posted 2021-04-26 小郭学数据

源自PyTorch 1.4教程^[1]

Outline

• LeNet概述
• LeNet实现
• 定义网络
• 计算损失
• 反向传播
• 更新权重

[PyTorch] 笔记03：神经网络

构建神经网络所需要的包可以是torch.nn

而nn包则依赖于autograd包来定义模型并对它们求导

今天写的是LeNet网络，用来识别手写体

数据集的选用可以用mnist，可参见pytorch实现mnist手写数字识别^[2]

1. LeNet概述

• 一般的网络学习步骤可以分为以下几个步骤：
• 定义网络，通过网络进行正向传播传递
• 使用网络输出来计算损失
• 使用loss.backward（）通过网络进行反向传播误差
• 使用优化器（比如随机梯度下降算法）更新权重
• 复盘一下LeNet的网路结构
• 当时使用的是平均池化，今天用最大池化来实现它
• 由两个卷积层，两个池化，三个全连接层组成的网络结构
• 当时是softmax函数实现多分类，今天用全连接实现

2. LeNet实现

2.1 定义网络

• 包含初始化，前向传播，统计全连接层前输入的特征个数

• 网络执行过程：conv1-->maxpool-->conv2-->maxpool-->fc1-->fc2-->fc3

• 每一层之后执行激活函数relu

• 代码如下：

    import torch
    import torch.nn as nn
    import torch.nn.functional as F
    class Net(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(Net, self).__init__()
            # 输入图像channel：1；输出channel：6；5x5卷积核
            self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)
            self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
            # an affine operation: y = Wx + b
            self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
            self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
            self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

        def forward(self, x):
            # 2x2 Max pooling
            x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
            # 如果是方阵,则可以只使用一个数字进行定义,树池为2*2矩阵
            x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)
            #变成一个1*num_flat_features(x)的张量
            x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
            x = F.relu(self.fc1(x))
            x = F.relu(self.fc2(x))
            x = self.fc3(x)
            return x

        def num_flat_features(self, x):
            size = x.size()[1:]  # 除去批处理维度的其他所有维度
            num_features = 1
            for s in size:
                num_features *= s
            return num_features

    net = Net()
    print(net)

• super() 函数是用于调用父类的一个方法，即调用了nn.Module。

• Conv2d

• 一般用于二维图像，Conv1d常用于文本数据的处理
• 接口定义如下：

•    class torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True)
  

• 参数含义：
• in_channels：输入通道
• out_channels：输出通道
• kernel_size：过滤器大小
• stride：步长
• padding：填充数
• dilation：卷积核即过滤器之间的空间距离
• groups：分组卷积
• bias：是否加偏移量即wx+b中的b
• 关于groups介绍可参见nn.Conv2d中groups参数的理解 python ^[3]

• 最大池化

• 实现方式：nn.MaxPool2d()，torch.nn.functional.max_pool2d()

• 输出

    Net(
      (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
      (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
      (fc1): Linear(in_features=400, out_features=120, bias=True)
      (fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
      (fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
    )

• 它定义完之后又反向传播计算了一下梯度,代码如下：

    清零所有参数的梯度缓存，然后进行随机梯度的反向传播：
    net.zero_grad()
    out.backward(torch.randn(1, 10))

• 先开始不知道到这样做的目的是啥，问了同学，最后还问了老师，你敢信？
• 后来啊，猛的一发现它是跟运行loss.backward()之后做了个比较，就是看了看计算损失函数之前的梯度和之后的梯度，也没啥太大意义。蒙了一下午，晕了，真的是。
• 注 「torch.nn只支持小批量处理(mini-batches）。整个torch.nn包只支持小批量样本的输入，不支持单个样本的输入」

2.2 计算损失

• 一个损失函数接受一对(output, target)作为输入，计算一个值来估计网络的输出和目标值相差多少
• 常见的损失函数可参见几种常见的损失函数 ^[4]
• 损失函数计算的是一个样本的损失，代价函数计算的是整个样本损失的平均值

    #计算损失，使用均方误差损失函数
    output = net(input)
    target = torch.randn(10)  # 本例子中使用模拟数据
    target = target.view(1, -1)  # 使目标值与数据值尺寸一致
    criterion = nn.MSELoss()

    loss = criterion(output, target)
    print(loss)
    
    #输出
    tensor(0.9866, grad_fn=<MseLossBackward>)

2.3 反向传播

• 调用loss.backward()反向传播误差，查看conv1层的偏置(bias）在反向传播前后的梯度
• 代码如下:

    net.zero_grad()     # 清零所有参数(parameter）的梯度缓存
    print('conv1.bias.grad before backward')
    print(net.conv1.bias.grad)
    loss.backward()
    print('conv1.bias.grad after backward')
    print(net.conv1.bias.grad)
    #输出
    conv1.bias.grad before backward
    tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.])
    conv1.bias.grad after backward
    tensor([-0.0003,  0.0005, -0.0140,  0.0026,  0.0057, -0.0056])

2.4 更新权重

• 使用的更新规则：随机梯度下降算法(SGD)
• 代码如下：

    learning_rate = 0.01
    for f in net.parameters():
        f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)

• 常见的更新规则有：
• Mini-batch梯度下降
• 动量梯度下降法 Momentum
• RMSprop算法
• Adam算法

下节写如何训练一个图片分类器

「欢迎批评指正，一起学习进步！！！」

Reference

[1]

PyTorch 1.4教程: https://pytorch.apachecn.org/docs/1.4/blitz/neural_networks_tutorial.html

[2]

pytorch实现mnist手写数字识别: https://www.jianshu.com/p/0504d5bfc26f

[3]

nn.Conv2d中groups参数的理解 python: https://blog.csdn.net/qq_39938666/article/details/89378096

[4]

几种常见的损失函数 : https://www.cnblogs.com/lliuye/p/9549881.html