详解PyTorch手写数字识别(MNIST数据集)

脚本专栏 2024/11/26 佚名

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MNIST 手写数字识别是一个比较简单的入门项目，相当于深度学习中的 Hello World，可以让我们快速了解构建神经网络的大致过程。虽然网上的案例比较多，但还是要自己实现一遍。代码采用 PyTorch 1.0 编写并运行。

导入相关库

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
import torchvision
from torch.autograd import Variable
from torch.utils.data import DataLoader
import cv2

torchvision 用于下载并导入数据集

cv2 用于展示数据的图像

获取训练集和测试集

# 下载训练集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./num/',
                train=True,
                transform=transforms.ToTensor(),
                download=True)
# 下载测试集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./num/',
               train=False,
               transform=transforms.ToTensor(),
               download=True)

root 用于指定数据集在下载之后的存放路径

transform 用于指定导入数据集需要对数据进行那种变化操作

train是指定在数据集下载完成后需要载入的那部分数据，设置为 True 则说明载入的是该数据集的训练集部分，设置为 False 则说明载入的是该数据集的测试集部分

download 为 True 表示数据集需要程序自动帮你下载

这样设置并运行后，就会在指定路径中下载 MNIST 数据集，之后就可以使用了。

数据装载和预览

# dataset 参数用于指定我们载入的数据集名称
# batch_size参数设置了每个包中的图片数据个数
# 在装载的过程会将数据随机打乱顺序并进打包

# 装载训练集
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset,
                      batch_size=batch_size,
                      shuffle=True)
# 装载测试集
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset,
                     batch_size=batch_size,
                     shuffle=True)

在装载完成后，可以选取其中一个批次的数据进行预览：

images, labels = next(iter(data_loader_train))
img = torchvision.utils.make_grid(images)

img = img.numpy().transpose(1, 2, 0)
std = [0.5, 0.5, 0.5]
mean = [0.5, 0.5, 0.5]
img = img * std + mean
print(labels)
cv2.imshow('win', img)
key_pressed = cv2.waitKey(0)

在以上代码中使用了 iter 和 next 来获取取一个批次的图片数据和其对应的图片标签，然后使用 torchvision.utils 中的 make_grid 类方法将一个批次的图片构造成网格模式。

预览图片如下：

并且打印出了图片相对应的数字：

搭建神经网络

# 卷积层使用 torch.nn.Conv2d
# 激活层使用 torch.nn.ReLU
# 池化层使用 torch.nn.MaxPool2d
# 全连接层使用 torch.nn.Linear

class LeNet(nn.Module):
  def __init__(self):
    super(LeNet, self).__init__()
    self.conv1 = nn.Sequential(nn.Conv2d(1, 6, 3, 1, 2), nn.ReLU(),
                  nn.MaxPool2d(2, 2))

    self.conv2 = nn.Sequential(nn.Conv2d(6, 16, 5), nn.ReLU(),
                  nn.MaxPool2d(2, 2))

    self.fc1 = nn.Sequential(nn.Linear(16 * 5 * 5, 120),
                 nn.BatchNorm1d(120), nn.ReLU())

    self.fc2 = nn.Sequential(
      nn.Linear(120, 84),
      nn.BatchNorm1d(84),
      nn.ReLU(),
      nn.Linear(84, 10))
    	# 最后的结果一定要变为 10，因为数字的选项是 0 ~ 9

  def forward(self, x):
    x = self.conv1(x)
    x = self.conv2(x)
    x = x.view(x.size()[0], -1)
    x = self.fc1(x)
    x = self.fc2(x)
    x = self.fc3(x)
    return x

前向传播内容：

首先经过 self.conv1() 和 self.conv1() 进行卷积处理

然后进行 x = x.view(x.size()[0], -1)，对参数实现扁平化（便于后面全连接层输入）

最后通过 self.fc1() 和 self.fc2() 定义的全连接层进行最后的分类

训练模型

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
batch_size = 64
LR = 0.001

net = LeNet().to(device)
# 损失函数使用交叉熵
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# 优化函数使用 Adam 自适应优化算法
optimizer = optim.Adam(
  net.parameters(),
  lr=LR,
)

epoch = 1
if __name__ == '__main__':
  for epoch in range(epoch):
    sum_loss = 0.0
    for i, data in enumerate(train_loader):
      inputs, labels = data
      inputs, labels = Variable(inputs).cuda(), Variable(labels).cuda()
      optimizer.zero_grad() #将梯度归零
      outputs = net(inputs) #将数据传入网络进行前向运算
      loss = criterion(outputs, labels) #得到损失函数
      loss.backward() #反向传播
      optimizer.step() #通过梯度做一步参数更新

      # print(loss)
      sum_loss += loss.item()
      if i % 100 == 99:
        print('[%d,%d] loss:%.03f' %
           (epoch + 1, i + 1, sum_loss / 100))
        sum_loss = 0.0

测试模型

net.eval() #将模型变换为测试模式
  correct = 0
  total = 0
  for data_test in test_loader:
    images, labels = data_test
    images, labels = Variable(images).cuda(), Variable(labels).cuda()
    output_test = net(images)
    _, predicted = torch.max(output_test, 1)
    total += labels.size(0)
    correct += (predicted == labels).sum()
  print("correct1: ", correct)
  print("Test acc: {0}".format(correct.item() /
                 len(test_dataset)))

训练及测试的情况：