[pytorch、学习] - 5.5 卷积神经网络（LeNet）

参考

5.5 卷积神经网络（LeNet）

卷积层尝试解决两个问题:

1. 卷积层保留输入形状,使图像的像素在高和宽两个方向上的相关性均可能被有效识别;
2. 卷积层通过滑动窗口将同一卷积核和不同位置的输入重复计算,从而避免参数尺寸过大。

5.5.1 LeNet模型

LeNet分为卷积层块和全连接层块两个部分.

卷积层块的基本单位是卷积层后接最大池化层: 卷积层用来识别图像里的空间模式(线条和物体局部),之后最大池化用来降低卷积层对位置的敏感性。卷积层块由两个这样的基本单位重复堆叠构成。

在卷积层块中，每个卷积层都使用5×5的窗口，并在输出上使用sigmoid**函数。第一个卷积层输出通道数为6，第二个卷积层输出通道数则增加到16。这是因为第二个卷积层比第一个卷积层的输入的高和宽要小，所以增加输出通道使两个卷积层的参数尺寸类似。卷积层块的两个最大池化层的窗口形状均为2×2，且步幅为2。由于池化窗口与步幅形状相同，池化窗口在输入上每次滑动所覆盖的区域互不重叠。

卷积层块的输出形状为(批量大小, 通道, 高, 宽)。当卷积层块的输出传入全连接层块时，全连接层块会将小批量中每个样本变平（flatten）。也就是说，全连接层的输入形状将变成二维，其中第一维是小批量中的样本，第二维是每个样本变平后的向量表示，且向量长度为通道、高和宽的乘积。全连接层块含3个全连接层。它们的输出个数分别是120、84和10，其中10为输出的类别个数。

下面通过Sequential类来实现LeNet模型

import time
import torch
import torch.nn as nn
import sys
sys.path.append("..")
import d2lzh_pytorch as d2l

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

class LeNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LeNet, self).__init__()
        self.conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1, 6, 5),   # in_channels, out_channels, kernel_size: (1, 1, 28, 28) -> (6, 1, 24, 24)
            nn.Sigmoid(),
            nn.MaxPool2d(2, 2),   #  kernel_size, stride: (6, 24, 24) -> (6, 1,12, 12)
            nn.Conv2d(6, 16, 5),  # (6, 1, 12, 12) -> (16, 1, 8, 8)
            nn.Sigmoid(),
            nn.MaxPool2d(2, 2)    # (16, 1, 8, 8) -> (16, 1, 4, 4)
        )
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(16*4*4, 120), # (16, 1, 4, 4) -> (256) -> (120)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(120, 84),  # (120) -> (84)
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(84, 10)  # (84) -> (10)
        )
    
    def forward(self, img):
         # img: 1 * 1 * 28 * 28
        feature = self.conv(img)  
        output = self.fc(feature.view(img.shape[0], -1))
        return output

net = LeNet()
print(net)

可以看到，在卷积层块中输入的高和宽在逐层减小。卷积层由于使用高和宽均为5的卷积核，从而将高和宽分别减小4，而池化层则将高和宽减半，但通道数则从1增加到16。全连接层则逐层减少输出个数，直到变成图像的类别数10。

5.5.2 获取数据和训练模型

batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size = batch_size)

# 使用GPU计算
def evaluate_accuracy(data_iter, net, device=None):
    if device is None and isinstance(net, torch.nn.Module):
        # 如果没指定device就使用net的device
        device = list(net.parameters())[0].device
    acc_sum, n = 0.0, 0
    with torch.no_grad():
        for X, y in data_iter:
            if isinstance(net, torch.nn.Module):
                net.eval() # 评估模式, 这会关闭dropout
                acc_sum += (net(X.to(device)).argmax(dim=1) == y.to(device)).float().sum().cpu().item()
                net.train() # 改回训练模式
            else: # 自定义的模型, 3.13节之后不会用到, 不考虑GPU
                if('is_training' in net.__code__.co_varnames): # 如果有is_training这个参数
                    # 将is_training设置成False
                    acc_sum += (net(X, is_training=False).argmax(dim=1) == y).float().sum().item() 
                else:
                    acc_sum += (net(X).argmax(dim=1) == y).float().sum().item() 
            n += y.shape[0]
    return acc_sum / n

def train_ch5(net, train_iter, test_iter, batch_size, optimizer, device, num_epochs):
    net = net.to(device)
    print("training on ", device)
    loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()
    for epoch in range(num_epochs):
        train_l_sum, train_acc_sum, n, batch_count, start = 0.0, 0.0, 0, 0, time.time()
        for X, y in train_iter:
            X = X.to(device)
            y = y.to(device)
            y_hat = net(X)
            l = loss(y_hat, y)
            optimizer.zero_grad()
            l.backward()
            optimizer.step()
            train_l_sum += l.cpu().item()
            train_acc_sum += (y_hat.argmax(dim=1) == y).sum().cpu().item()
            n += y.shape[0]
            batch_count += 1
        test_acc = evaluate_accuracy(test_iter, net)
        print('epoch %d, loss %.4f, train acc %.3f, test acc %.3f, time %.1f sec'
              % (epoch + 1, train_l_sum / batch_count, train_acc_sum / n, test_acc, time.time() - start))

lr, num_epochs = 0.001, 10
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=lr)
train_ch5(net, train_iter, test_iter, batch_size, optimizer, device, num_epochs)