[oneAPI] 手写数字识别-VAE

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VAE模型实现手写数字识别任务
- 定义使用包
- 定义参数
- 加载数据
- VAE模型与介绍
- 训练过程
- 结果

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Intel® DevCloud for oneAPI：https://devcloud.intel.com/oneapi/get_started/aiAnalyticsToolkitSamples/

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import intel_extension_for_pytorch as ipex

# Device configuration
device = torch.device('xpu' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

model = VAE().to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)

'''
Apply Intel Extension for PyTorch optimization against the model object and optimizer object.
'''
model, optimizer = ipex.optimize(model, optimizer=optimizer)

VAE模型实现手写数字识别任务

手写数字识别是一种常见的机器学习和计算机视觉任务，旨在识别手写的数字字符并将其分类为数字 0 到 9 中的一个。这个任务通常用于展示和验证机器学习算法和模型的性能。

任务描述：

输入：手写的数字字符图像，通常是灰度图像，每个像素代表一个像素点的亮度值。
输出：识别出的数字，范围从 0 到 9。

任务步骤：

数据收集：收集包含手写数字的图像数据集，通常是包含大量手写数字图像的数据集，如 MNIST 数据集。
数据预处理：对图像进行预处理，包括图像缩放、归一化、去噪等，以便输入模型进行训练和测试。
模型选择：选择适合手写数字识别任务的模型，常用的有卷积神经网络（CNN）等。
模型训练：使用训练数据对模型进行训练，通过反向传播优化模型参数，以最小化损失函数。
模型评估：使用测试数据评估模型的性能，计算识别准确率、损失值等指标。
预测和应用：使用训练好的模型对新的手写数字图像进行预测，输出识别结果。
手写数字识别任务在计算机视觉领域具有重要意义，不仅为图像分类提供了一个基本示例，还为更复杂的任务如物体识别、人脸识别等提供了基础。这个任务也常常被用于展示深度学习技术的能力，因为它相对简单且容易理解。

使用了pytorch以及Intel® Optimization for PyTorch，通过优化扩展了 PyTorch，使英特尔硬件的性能进一步提升，让手写数字识别问题更加的快速高效
在这里插入图片描述

使用MNIST数据集，该数据集包含了一系列以黑白图像表示的手写数字，每个图像的大小为28x28像素，数据集组成如下：

训练集：包含60,000个图像和标签，用于训练模型。
测试集：包含10,000个图像和标签，用于测试模型的性能。

每个图像都被标记为0到9之间的一个数字，表示图像中显示的手写数字。这个数据集常常被用来验证图像分类模型的性能，特别是在计算机视觉领域。

定义使用包

import os
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torchvision
from torchvision import transforms
from torchvision.utils import save_image
import intel_extension_for_pytorch as ipex

定义参数

# Device configuration
device = torch.device('xpu' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# Create a directory if not exists
sample_dir = 'samples'
if not os.path.exists(sample_dir):
    os.makedirs(sample_dir)

# Hyper-parameters
image_size = 784
h_dim = 400
z_dim = 20
num_epochs = 15
batch_size = 128
learning_rate = 1e-3

加载数据

# MNIST dataset
dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data',
                                     train=True,
                                     transform=transforms.ToTensor(),
                                     download=True)

# Data loader
data_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=dataset,
                                          batch_size=batch_size,
                                          shuffle=True)

VAE模型与介绍

VAE（Variational Autoencoder，变分自编码器）是一种生成模型，它结合了自编码器（Autoencoder）和概率图模型的思想，用于学习数据的潜在表示和生成新的数据样本。VAE 是一种无监督学习方法，常用于生成图像、声音、文本等数据。

VAE 的核心思想是学习数据的分布，并通过学习编码器和解码器来实现数据的自动生成和潜在表示学习。以下是 VAE 的主要组成部分：

编码器（Encoder）：将输入数据映射到潜在空间（通常是高维的均值和标准差）中，生成潜在变量的分布。
采样（Sampling）：从潜在变量的分布中随机采样，得到潜在变量的实际值。
解码器（Decoder）：将潜在变量映射回原始数据空间，生成重构的数据样本。
损失函数（Loss Function）：VAE 使用变分下界（Variational Lower Bound）作为损失函数，该下界包括重构误差和潜在变量的正则项，用于训练编码器和解码器。

VAE 的训练过程通过最小化损失函数来学习编码器和解码器的参数，使得模型能够学习数据的分布并生成具有类似分布的新数据样本。VAE 还具有潜在空间的连续性和插值性质，使得可以在潜在空间中进行有趣的操作，如图像插值和样式转换。

总之，VAE 是一种强大的生成模型，具有学习数据分布和生成新数据的能力，被广泛应用于图像生成、特征学习、数据降维等领域。

# VAE model
class VAE(nn.Module):
    def __init__(self, image_size=784, h_dim=400, z_dim=20):
        super(VAE, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(image_size, h_dim)
        self.fc2 = nn.Linear(h_dim, z_dim)
        self.fc3 = nn.Linear(h_dim, z_dim)
        self.fc4 = nn.Linear(z_dim, h_dim)
        self.fc5 = nn.Linear(h_dim, image_size)

    def encode(self, x):
        h = F.relu(self.fc1(x))
        return self.fc2(h), self.fc3(h)

    def reparameterize(self, mu, log_var):
        std = torch.exp(log_var / 2)
        eps = torch.randn_like(std)
        return mu + eps * std

    def decode(self, z):
        h = F.relu(self.fc4(z))
        return F.sigmoid(self.fc5(h))

    def forward(self, x):
        mu, log_var = self.encode(x)
        z = self.reparameterize(mu, log_var)
        x_reconst = self.decode(z)
        return x_reconst, mu, log_var

model = VAE().to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)

'''
Apply Intel Extension for PyTorch optimization against the model object and optimizer object.
'''
model, optimizer = ipex.optimize(model, optimizer=optimizer)

训练过程

# Start training
for epoch in range(num_epochs):
    for i, (x, _) in enumerate(data_loader):
        # Forward pass
        x = x.to(device).view(-1, image_size)
        x_reconst, mu, log_var = model(x)

        # Compute reconstruction loss and kl divergence
        # For KL divergence, see Appendix B in VAE paper or http://yunjey47.tistory.com/43
        reconst_loss = F.binary_cross_entropy(x_reconst, x, size_average=False)
        kl_div = - 0.5 * torch.sum(1 + log_var - mu.pow(2) - log_var.exp())

        # Backprop and optimize
        loss = reconst_loss + kl_div
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

        if (i + 1) % 10 == 0:
            print("Epoch[{}/{}], Step [{}/{}], Reconst Loss: {:.4f}, KL Div: {:.4f}"
                  .format(epoch + 1, num_epochs, i + 1, len(data_loader), reconst_loss.item(), kl_div.item()))

    with torch.no_grad():
        # Save the sampled images
        z = torch.randn(batch_size, z_dim).to(device)
        out = model.decode(z).view(-1, 1, 28, 28)
        save_image(out, os.path.join(sample_dir, 'sampled-{}.png'.format(epoch + 1)))

        # Save the reconstructed images
        out, _, _ = model(x)
        x_concat = torch.cat([x.view(-1, 1, 28, 28), out.view(-1, 1, 28, 28)], dim=3)
        save_image(x_concat, os.path.join(sample_dir, 'reconst-{}.png'.format(epoch + 1)))