《60题PyTorch简易入门指南,做技术的弄潮儿!》

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选择匿名的用户   2021-5-23 06:34   396   0

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目录

一、初识PyTorch

1.1、张量

1.2、Numpy的操作

二、自动微分

2.1、张量的自动微分

2.2、梯度

三、神经网络

3.1、这部分会实现LeNet5,结构如下所示

3.2、损失函数

3.3、更新权重

3.4、训练一个分类器


PyTorch是一个基于Python的库,提供了一个具有灵活易用的深度学习框架,是近年来最受欢迎的 深度学习框架之一。

一、初识PyTorch

1.1、张量

1.1.1、导入PyTorch包

import torch
1.1.2、 创建一个空的5x3张量
x = torch.empty(5,3)
print(x)

1.1.3、创建一个随机初始化的5×3张量

x = torch.rand(5, 3)
print(x)

1.1.4、创建一个5×3的0张量,类型为long

x = torch.zeros(5, 3, dtype=torch.long)
print(x)

1.1.5、直接从数组创建张量

x = torch.tensor([5.5, 3])
print(x)

1.1.6、创建一个5×3的单位张量,类型为double

x = torch.ones(5, 3, dtype=torch.double)
print(x)

1.1.7、从已有的张量创建相同维度的新张量,并且重新定义类型为float

x = torch.ones(5, 3)
x = torch.randn_like(x, dtype=torch.float)
print(x)

1.1.8、打印一个张量的维度

x = torch.ones(5, 3)
print(x.size())

1.1.9、两个张量相加

# 方法一
x = torch.ones(5, 3)
y = torch.randn(5, 3)
print(x + y)

# 方法二
# print(torch.add(x, y)

# 方法三
# result = torch.empty(5, 3)
# torch.add(x, y, out=result)
# print(result)

# 方法四
# y.add_(x)
# print(y)

1.1.10、取向量的第一列

x = torch.randn(5, 3)
print(x[:, 1])

1.1.11、将一个4×4的张量resize成一个一维张量

x = torch.randn(4, 4)
y = x.view(16)
print(x.size(), y.size())

1.1.12、将一个4×4的张量,resize成一个2×8的张量

# 方法一
x = torch.randn(4, 4)
y = x.view(2, 8)
print(x.size(), y.size())

# 方法二
# import torch
# 
# x = torch.randn(4, 4)
# y = x.view(-1, 8) # 确定一个维度,-1的维度会被自动计算
# print(x.size(), y.size())

1.1.13、从张量中取出数字

x = torch.randn(1)
print(x)
print(x.item())

1.2、Numpy的操作

1.2.1、将张量装换成numpy数组

a = torch.ones(5)
print(a)
b = a.numpy()
print(b)

1.2.2、将张量+1,并观察上提中numpy数组的变化

a = torch.ones(5)
b = a.numpy()
a.add_(1)
print(a)
print(b)

1.2.3、从numpy数组创建张量

a = np.ones(5)
b = torch.from_numpy(a)
print(a)
print(b)

1.2.4、将numpy数组+1并观察上题中张量的变化

a = np.ones(5)
b = torch.from_numpy(a)
np.add(a, 1, out=a)
print(a)
print(b)

二、自动微分

2.1、张量的自动微分

2.1.1、新建一个张量,并设置requires_grad=True

x = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)
print(x)

2.1.2、对张量进行任意操作(y = x + 2)

x = torch.ones(2, 2)
y = x + 2
print(y)
print(y.grad_fn)  # y就多了一个AddBackward

2.1.3、再对y进行任意操作

x = torch.ones(2, 2)
y = x + 2
print(y)
print(y.grad_fn)  # y就多了一个AddBackward
z = y * y * 3
out = z.mean()
print(z)  # z多了MulBackward
print(out)  # out多了MeanBackward

2.2、梯度

2.2.1、对out进行反向传播

out.backward()

2.2.2、打印梯度\frac{d(out)}{d(x)}

print(x.grad) # out=0.25*Σ3(x+2)^2

2.2.3、创建一个结果为矢量的计算过程(y=x*2^{^{n}}

x = torch.rand(3, requires_grad=True)
y = x * 2
while y.data.norm() < 1000:
    y = y * 2
print(y)

2.2.4、计算 v = [0. 1,1.0,0.0001]处的梯度

v = torch.tensor([0.1, 1.0 , 0.0001], dtype=torch.float)
y.backward(v)
print(x.grad)

2.2.5、关闭梯度功能

print(x.requires_grad)
print((x ** 2).requires_grad)
with torch.no_grad(): 
    print((x ** 2).requires_grad)
# 方法二
# print(x.requires_grad)
# y = x.detach()
# print(y.requires_grad)
# print(x.eq(y).all())

三、神经网络

3.1、这部分会实现LeNet5,结构如下所示

3.1.1、定义网络

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        # 26.定义①的卷积层,输入为32x32的图像,卷积核大小5x5卷积核种类6
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)
        # 27.定义③的卷积层,输入为前一层6个特征,卷积核大小5x5,卷积核种类16
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        # 28.定义⑤的全链接层,输入为16*5*5,输出为120
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)  # 6*6 from image dimension
        # 29.定义⑥的全连接层,输入为120,输出为84
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        # 30.定义⑥的全连接层,输入为84,输出为10
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        # 31.完成input-S2,先卷积+relu,再2x2下采样
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
        # 32.完成S2-S4,先卷积+relu,再2x2下采样
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)  # 卷积核方形时,可以只写一个
        # 33.将特征向量扁平成列向量
        x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)
        # 34.使用fc1+relu
        x = F.relu(self.fc1(x))
        # 35.使用fc2+relu
        x = F.relu(self.fc2(x))
        # 36.使用fc3
        x = self.fc3(x)
        return x
    
net = Net()
print(net)

3.1.2、打印网络的参数

params = list(net.parameters())
# print(params)
print(len(params))

3.1.3、打印某一层参数的形状

print(params[0].size())

3.1.4、随机输入一个向量,查看前项传播输出

input = torch.randn(1, 1, 32, 32) 
out = net(input) 
print(out)

3.1.5、将梯度初始化

net.zero_grad()

3.1.6、随机一个梯度进行反向传播

out.backward(torch.randn(1, 10))

3.2、损失函数

3.2.1、用自带的MSELoss()定义损失函数

criterion = nn.MSELoss()

3.2.2、随机一个真值,并用随机的输入计算损失

target = torch.randn(10)         # 随机真值 
target = target.view(1, -1)      # 变成列向量 
output = net(input)              # 用随机输入计算输出 
loss = criterion(output, target) # 计算损失 
print(loss)

3.2.3、将梯度初始化,计算上一步中loss的反向传播

net.zero_grad() 
print('conv1.bias.grad before backward') 
print(net.conv1.bias.grad)

3.2.4、计算3.2.2中loss的反向传播

loss.backward() 
print('conv1.bias.grad after backward') 
print(net.conv1.bias.grad)

3.3、更新权重

3.3.1、定义SGD优化器算法,学习率设置为0.01

import torch.optim as optim 
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01)

3.3.2、使用优化器更新权重

optimizer.zero_grad() 
output = net(input) 
loss = criterion(output, target) 
loss.backward() 

# 更新权重 
optimizer.step()

3.4、训练一个分类器

3.4.1、读取CIFAR10数据,做标准化

构造一个transform,将三通道(0,1)区间的数据转化成(-1,1)的数据

import torchvision 
import torchvision.transforms as transforms 

transform = transforms.Compose( 
    [transforms.ToTensor(), 
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

读取数据集

trainset = cifar(root = '/home/kesci/input/cifar10', segmentation='train', transforms=transform)
testset = cifar(root = '/home/kesci/input/cifar10', segmentation='test', transforms=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=batch_size,shuffle=True, num_workers=2)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=batch_size,shuffle=False, num_workers=2)

classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat', 
           'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')

3.4.2、建立网络

这部分沿用前面的网络

net2 = Net()

3.4.3、定义损失函数和优化器

定义交叉熵损失函数

criterion2 = nn.CrossEntropyLoss()

定义SGD优化器算法,学习率设置为0.001,momentum=0.9

optimizer2 = optim.SGD(net2.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

3.4.4、训练网络

for epoch in range(2): 
    running_loss = 0.0 
    for i, data in enumerate(trainloader, 0): 
        # 获取X,y对 
        inputs, labels = data 

        # 51.初始化梯度 
        optimizer2.zero_grad() 

        # 52.前馈 
        outputs = net2(inputs) 
        # 53.计算损失 
        loss = criterion2(outputs, labels) 
        # 54.计算梯度 
        loss.backward() 
        # 55.更新权值 
        optimizer2.step() 
        
        # 每2000个数据打印平均代价函数值 
        running_loss += loss.item() 
        if i % 2000 == 1999: # print every 2000 mini-batches 
            print('[%d, %5d] loss: %.3f' % 
                (epoch + 1, i + 1, running_loss / 2000)) 
            running_loss = 0.0 

print('Finished Training')

3.4.5、使用模型预测

取一些数据

dataiter = iter(testloader) 
images, labels = dataiter.next() 

# print images 
imshow(torchvision.utils.make_grid(images)) 
print('GroundTruth: ', ' '.join('%5s' % classes[labels[j]] for j in range(4))

使用模型预测

outputs = net2(images) 
_, predicted = torch.max(outputs, 1) 
print('Predicted: ', ' '.join('%5s' % classes[predicted[j]] 
                            for j in range(4)))

在测试集上进行打分

correct = 0 
total = 0 
with torch.no_grad(): 
    for data in testloader: 
        images, labels = data 
        outputs = net2(images) 
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1) 
        total += labels.size(0) 
        correct += (predicted == labels).sum().item() 
print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % ( 100 * correct / total))

3.4.6、存取模型

保存训练好的模型

PATH = './cifar_net.pth' 
torch.save(net.state_dict(), PATH)

读取保存的模型

pretrained_net = torch.load(PATH)

加载模型

net3 = Net() 
net3.load_state_dict(pretrained_net)

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