PyTorch深度学习原理与实现

1. 引言

深度学习发展历程

感知机网络（解决线性可分问题，20世纪40年代）
BP神经网络（解决线性不可分问题，20世纪80年代）
深度神经网络（海量图片分类，2010年左右）

常见深度神经网络：CNN、RNN、LSTM、GRU、GAN、DBN、RBM ……

深度应用领域

计算机视觉
语音识别
自然语言处理
人机博弈

深度学习、机器学习以及人工智能

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深度学习VS传统机器学习

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深度神经网络 VS 浅层神经网络

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2. 卷积神经网络CNN

BP神经网络缺陷

不能移动
不能变形
运算量大

解决办法

大量物体位于不同位置的数据训练
增加网络的隐藏层个数。
权值共享（不同位置拥有相同权值）

卷积神经网络结构[深度学习（DEEP LEARNING）]

covolutional layer（卷积）、ReLu layer（非线性映射）、pooling layer（池化）、

fully connected layer（全连接）、output（输出）的组合，例如下图所示的结构。
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全连接与局部连接（权值共享）

在CNN中，先选择一个局部区域（filter），用这个局部区域去扫描整张图片。局部区域所圈起来的所有节点会被连接到下一层的一个节点上。

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2.1 卷积层－权值共享

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2.2 非线性映射ReLU

非线性映射（Rectified Linear Units）

和前馈神经网络一样，经过线性组合和偏移后，会加入非线性增强模型的拟合能力。

经过线性组合和偏移后，会加入非线性增强模型的拟合能力，将卷积所得的Feature Map经过ReLU变换。

下图函数解释：(小于零部分为零，大于零部分等于它本身)

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2.3 池化（pooling）

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import matplotlib.pyplot as plt
import torch

# 读取照片
image = plt.imread('_5_PyTorch深度学习/8.jpg')
# 将照片转为卷积层能接受的形式
image = image.reshape([-1, 1, 28, 28])

# 构建卷积层
# in_channels通道，当前灰度图片，通道为1； out_channels为过滤层filter的个数； kernel_size为过滤层纬度 5×5
conv2d = torch.nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=32, kernel_size=5)
# 执行卷积操作
    result_conv = conv2d(torch.tensor(image, dtype=torch.float32))

# 卷积可视化
plt.figure(figsize=(10, 8))  # 创建一张画布
for i in range(20):
    plt.subplot(4, 5, i+1)
    plt.imshow(result_conv.data.numpy()[0, i, :, :], cmap='gray')   # 绘制子图
    plt.axis('off')   # 关闭坐标轴
plt.show()
# 构建池化层
# kernel_size过滤层纬度 2×2 每次跳转间隔
max_pool2d = torch.nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
# 执行池化操作
result_pool = max_pool2d(result_conv)
# 池化可视化
plt.figure(figsize=(10, 8))  # 创建一张画布
for i in range(20):
    plt.subplot(4, 5, i+1)
    plt.imshow(result_pool.data.numpy()[0, i, :, :], cmap='gray')   # 绘制子图
    plt.axis('off')   # 关闭坐标轴
plt.show()

原图：

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第一次卷积结果：

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第一次池化结果：

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2.4 全连接层

卷积–>池化–>卷积–>池化–>全连接–>全连接–>高斯连接

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输入 32×32

-> 通过6个不同的filter(5×5)卷积后 -> 6@28×28

-> 池化后 -> 6@14×14

-> 通过16个不同的filter(5×5)卷积后 -> 16@10×10

-> 池化后 -> 6@5×5

-> 全连接

3. 循环神经网络RNN

传统神经网络结构

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对一般的神经网络，无论是arrive Beijing还是leave Beijing，Beijing作为BP神经网络的输入时，输出的都是Destination
Input 一样的内容，Output就是一样的内容
**我们希望神经网络有记忆，记得 ** Beijing 前的 arrive 或者 leave

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3.1 隐状态（Hidden State）h

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3.2 输出状态

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3.3 随时间反向传播（BPTT）算法

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3.4 N VS 1 RNN结构

n个输入一个输出

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3.5 1 VS N RNN结构

1个输入n个输出

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3.6 N vs M

n个输入m个输出

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4. 长短时记忆网络LSTM

在 RNN 中，因为通常前期的层会因为梯度消失而停止学习，RNN 会忘记它在更长的序列中看到的东西，从而只拥有短期记忆。

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4.1 遗忘门（forget gate）遗忘或保存

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4.2 输入门（input gate）更新单元状态

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4.3 单元状态

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4.4 输出门（output gate）

决定下一个隐藏状态

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4.5 示例

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5. 利用RNN&LSTM实现手写数字识别

任务实现

加载数据
数据加工
构建模型（搭建网络）
模型配置
模型训练
性能验证

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import matplotlib.pyplot as plt
import torch

# 读取照片
image = plt.imread('_5_PyTorch深度学习/8.jpg')

# 将照片转为卷积层能接受的形式
image = image.reshape([-1, 28, 28])

# 构建LSTM
# 一个序列放进去，序列中一个向量中元素的个数 ，input_size输入数据的个数
# hidden_size 设置神经元个数
# batch_first 样本个数在第一位
rnn = torch.nn.LSTM(input_size=28, hidden_size=100, batch_first=True)

# 执行LSTM
output, (_, _) = rnn(torch.tensor(image, dtype=torch.float32))

plt.imshow(output.data.numpy()[0].T, cmap='gray')
plt.show()

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import numpy as np
import torch

# 1. 加载数据
mnist = np.load('_5_PyTorch深度学习/mnist.npz', allow_pickle=True)  # 读取数据
mnist.files
X_train, y_train, X_test, y_test = mnist['x_train'], mnist['y_train'], mnist['x_test'], mnist['y_test']
# 2. 数据加工
X_train_tensor = torch.tensor(X_train/255, dtype=torch.float32)  # 将训练集样本自变量转为tensor
X_test_tensor = torch.tensor(X_test/255, dtype=torch.float32)    # 将测试集样本自变量转为tensor
y_train_tensor = torch.tensor(y_train, dtype=torch.int64)         # 将训练集样本标签转为tensor

train_ds = torch.utils.data.TensorDataset(X_train_tensor, y_train_tensor)       # 将训练数据转为tensordata格式
train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_ds, batch_size=32, shuffle=True)   # 执行打乱和分批操作


class Rnn(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Rnn, self).__init__()
        self.lstm = torch.nn.LSTM(input_size=28, hidden_size=100, batch_first=True)  # 定义LSTM层
        self.fc = torch.nn.Linear(in_features=100, out_features=10)                  # 全连接(隐藏层)

    def forward(self, x):
        x, (_, _) = self.lstm(x)  # 执行LSTM操作
        x = self.fc(x[:, -1, :])  # 获取最后一个第28个(即-1)
        return x

# 3. 构建模型(搭建网络)
network = Rnn()  # 实例化得到一个网络模型

# 4. 模型配置
loss_fn = torch.nn.CrossEntropyLoss()   # 定义交叉商损失函数
optimizer = torch.optim.SGD(network.parameters(), lr=0.01)   # 定义优化器 learning rate学习率

# 5. 模型训练与保存
for epoch in range(20):
    for image, label in train_dl:
        y_pre = network(image)             # 前向传播
        loss = loss_fn(y_pre, label)       # 计算模型损失
        network.zero_grad()                # 将网络中所有参数的梯度进行清零
        loss.backward()                    # 计算梯度
        optimizer.step()                   # 对网络参数(参数和阈值)进行优化
    print(f'第{epoch}轮训练的最后一批样本的训练损失值为： {loss.item()}')

# 6. 性能验证
predicted = network(X_test_tensor)               # 调用已训练好的模型对测试样本进行预测
result = predicted.data.numpy().argmax(axis=1)   # 模型对测试样本的预测标签
acc_test = (y_test == result).mean()             # 测试精度

torch.save(network.state_dict(), 'mnist_2.pt')   # 保存已经训练好的模型(参数)  权值阈值

# 对网络参数(参数和阈值)进行优化
print(f'第{epoch}轮训练的最后一批样本的训练损失值为： {loss.item()}')

# 6. 性能验证
predicted = network(X_test_tensor)               # 调用已训练好的模型对测试样本进行预测
result = predicted.data.numpy().argmax(axis=1)   # 模型对测试样本的预测标签
acc_test = (y_test == result).mean()             # 测试精度

torch.save(network.state_dict(), 'mnist_2.pt')   # 保存已经训练好的模型(参数)  权值阈值