PyTorch框架认识

PyTorch是一个由Facebook人工智能研究院（FAIR）在2016年发布的开源深度学习框架，专为GPU加速的深度神经网络（DNN）编程而设计。它以其简洁、灵活和符合Python风格的特点，在科研和工业生产中得到了广泛应用。

1. Tensor张量

在PyTorch中，张量（Tensor）是核心数据结构，它是一个多维数组，用于存储和变换数据。张量类似于Numpy中的数组，但具有更丰富的功能和灵活性，特别是在支持GPU加速方面。

定义与特性

• 多维数组：张量可以看作是一个n维数组，其中n可以是任意正整数。它可以是标量（零维数组）、向量（一维数组）、矩阵（二维数组）或具有更高维度的数组。
• 数据类型统一：张量中的元素具有相同的数据类型，这有助于在GPU上进行高效的并行计算。
• 支持GPU加速：PyTorch中的张量可以存储在CPU或GPU上，通过将张量转移到GPU上，可以利用GPU的强大计算能力来加速深度学习模型的训练和推理过程。

创建方式

• 直接使用torch.tensor()：根据提供的Python列表或Numpy数组创建张量。
• 下载数据集时：transform=ToTensor()直接将数据转化为Tensor张量类型。

2. 下载数据集

在PyTorch中，有许多封装了很多与图像相关的模型、数据集，那么如何获取数据集呢？

导入datasets模块：

from torchvision import datasets #封装了很多与图像相关的模型，数据集

以datasets模块中的MNIST数据集为例，包含70000张手写数字图像：60000张用于训练，10000张用于测试。图像是灰度的，28*28像素，并且居中的，以减少预处理和加快运行。

下载测试

我们来下载MNIST数据集：

from torchvision.transforms import ToTensor # 数据转换，张量，将其他类型数据转换为tensor张量
"""-----下载训练集数据集-----"""
training_data = datasets.MNIST(
    root="data",
    train=True,# 取训练集
    download=True,
    transform=ToTensor(),# 张量，图片是不能直接传入神经网络模型的
) # 对于pytorch库能够识别的数据，一般是tensor张量

"""-----下载测试集数据集-----"""
test_data = datasets.MNIST(
    root="data",
    train=False,
    download=True,
    transform=ToTensor(),
)# numpy数组只能在CPU上运行，Tensor可以在GPU上运行，这在深度学习中可以显著提高计算速度

下载完成之后可在project栏查看。

展现下载内容

我们来查看部分图片（第59000张到第59009张）：

"""-----展现手写字图片-----"""
# tensor -->numpy  矩阵类型数据
from matplotlib import pyplot as plt
figure = plt.figure() # 创建一个新的图形
for i in range(9):
    img,label = training_data[i+59000] #提取第59000张图片

    figure.add_subplot(3,3,i+1) #图像窗口中创建多个小窗口，小窗口用于显示图片
    plt.title(label)
    plt.axis("off")# 关闭当前轴的坐标轴
    plt.imshow(img.squeeze(),cmap="gray")
    a = img.squeeze()# squeeze()从张量img中去掉维度为1的。如果该维度不为1则张量不会改变
plt.show()

图片信息获取时，得到的张量数据类型是这样的：

我们通过squeeze()函数，去掉维度为1的。这样我们就可以得到图片的高宽大小，将它展现出来：

3. 创建DataLoader（数据加载器）

在PyTorch中，创建DataLoader的主要作用是将数据集（Dataset）加载到模型中，以便进行训练或推理。DataLoader通过封装数据集，提供了一个高效、灵活的方式来处理数据。

DataLoader通过batch_size参数将数据集自动划分为多个小批次（batch），每一批次的放入模型训练，减少内存的使用，提高训练速度。

import torch
from torch.utils.data import DataLoader
"""
创建数据DataLoader（数据加载器）
batch_size：将数据集分成多份，每一份为batch_size（指定数值）个数据。
优点：减少内存的使用，提高训练速度
"""
train_dataloder = DataLoader(training_data,batch_size=64)# 64张图片为一个包
test_datalodar = DataLoader(test_data,batch_size=64)
# 查看打包好的数据
for x,y in test_datalodar: #x是表示打包好的每一个数据包
    print(f"Shape of x [N, C, H, W]:{x.shape}")
    print(f"Shape of y:{y.shape} {y.dtype}")
    break
-----------------------
Shape of x [N, C, H, W]:torch.Size([64, 1, 28, 28])
Shape of y:torch.Size([64]) torch.int64

4. 选择处理器

我们知道，电脑中的处理器有CPU和GPU两种，CPU擅长执行复杂的指令和逻辑操作，而GPU则擅长处理大量并行计算任务。

所以，在可以的条件下，我们选择使用GPU处理器来学习深度学习，因为计算量比较大：

"""---判断当前设备是否支持GPU，其中mps是苹果m系列芯片的GPU"""
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cpu"
print(f"Using {device} device")
----------------
Using cuda device

5. 神经网络模型

通过调用类的形式来使用神经网络，神经网络的模型：nn.module。

构建模型

我们在构建时，得明确神经网络模型的结构：输入层–隐藏层–输出层，而在每一个隐藏层进入下一层时，都会有一个激活函数计算，所以我们也按着这个架构层次定义函数:

class NeuralNetwork(nn.Module): #通过调用类的形式来使用神经网络，神经网络的模型：nn.module
    def __init__(self): # self类自己本身
        super().__init__() #继承的父类初始化
        self.flatten = nn.Flatten()# 输入层,展开一个对象flatten
        self.hidden1 = nn.Linear(28*28,256)# 隐藏层,第1个参数：有多少神经元传入进来；第二个参数，有多少数据传出去
        self.hidden2 = nn.Linear(256,128)
        self.hidden3 = nn.Linear(128,64)
        self.hidden4 = nn.Linear(64,32)
        self.out = nn.Linear(32,10)#输出层,输出必须与类别数量相同，输入必须是上一层的个数
    def forward(self,x): #前向传播（该名字不要轻易改），告诉它数据的流向
        x = self.flatten(x)
        x = self.hidden1(x)
        x = torch.sigmoid(x) #激活函数
        x = self.hidden2(x)
        x = torch.sigmoid(x)
        x = self.hidden3(x)
        x = torch.sigmoid(x)
        x = self.hidden4(x)
        x = torch.sigmoid(x)
        x = self.out(x)
        return x
model = NeuralNetwork().to(device) #将刚刚创建的模型传入到GPU
print(model)
-----------------------
NeuralNetwork(
  (flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
  (hidden1): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (hidden2): Linear(in_features=256, out_features=128, bias=True)
  (hidden3): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
  (hidden4): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
  (out): Linear(in_features=32, out_features=10, bias=True)
)

6. 训练数据

训练数据时，需要注意的参数：

• optimizer优化器：

在PyTorch中，创建Optimizer的主要作用是管理并更新模型中可学习参数（即权重和偏置）的值，以便最小化某个损失函数（loss function）。

1. 梯度清零：在每次迭代开始时，Optimizer会调用**.zero_grad()**方法来清除之前累积的梯度，这是因为在PyTorch中，梯度是累加的，如果不清零，则下一次的梯度计算会包含前一次的梯度，导致错误的更新。
2. 梯度计算：在模型进行前向传播（forward pass）和损失计算之后，Optimizer并不直接参与梯度的计算。梯度的计算是通过调用损失函数的**.backward()**方法完成的，该方法会计算损失函数关于模型中所有可学习参数的梯度，并将这些梯度存储在相应的参数对象中。
3. 参数更新：在梯度计算完成后，Optimizer会调用**.step()**方法来根据计算得到的梯度以及选择的优化算法（如SGD、Adam等）来更新模型的参数。这一步骤是优化过程中最关键的部分，它决定了模型学习的方向和速度。

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.001)

• loss_fn损失函数：

在PyTorch中，**nn.CrossEntropyLoss()**是一个常用的损失函数，它结合了 nn.LogSoftmax() 和 nn.NLLLoss()（负对数似然损失）在一个单独的类中。

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

训练集数据

from torch import nn #导入神经网络模块
def train(dataloader,model,loss_fn,optimizer):
    model.train()# 设置模型为训练模式

    batch_size_num =1# 迭代次数 
    for x,y in dataloader:
        x,y = x.to(device),y.to(device)  # 将数据和标签发送到指定设备  
        pred = model.forward(x)  # 前向传播  
        loss = loss_fn(pred,y)  # 计算损失  

        optimizer.zero_grad()  # 清除之前的梯度  
        loss.backward()  # 反向传播  
        optimizer.step()  # 更新模型参数  

        loss_value = loss.item()  # 获取损失值
        if batch_size_num %200 == 0:  # 每200次迭代打印一次损失  
            print(f"loss:{loss_value:>7f} [number:{batch_size_num}]")
        batch_size_num += 1
------------------------
loss:1.039446 [number:200]
loss:0.754774 [number:400]
loss:0.553383 [number:600]
loss:0.573400 [number:800]

测试集数据

def test(dataloader,model,loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset) # 获取测试集的总大小。
    num_batches = len(dataloader) # 计算数据加载器中的批次数量。
    model.eval() # 将模型设置为评估模式。
    test_loss,correct = 0,0 # 初始化总损失和正确预测的数量。
    with torch.no_grad():
        for x,y in dataloader:
            x,y = x.to(device),y.to(device)
            pred = model.forward(x)
            test_loss += loss_fn(pred,y).item()
            correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
            a = (pred.argmax(1) == y)
            b = (pred.argmax(1) == y).type(torch.float)
    test_loss /= num_batches
    correct /= size
    correct = round(correct, 4)
    print(f"Test result: \n Accuracy:{(100*correct)}%,Avg loss:{test_loss}")
 ---------------------
Test result: 
 Accuracy:89.96%,Avg loss:0.36642977581092506

我们可以看到，这个模型的正确率不是特别的高，那么接下来我们来提高模型的学习率。

7. 提高模型学习率

遍历了指定的训练周期（epochs）数，并在每个周期中调用 train 函数来训练模型。

"""-----调整学习率-----"""
epochs = 10
for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1} \n-------------------------")
    train(train_dataloder,model,loss_fn,optimizer)
print("Done!")
test(test_datalodar,model,loss_fn)
---------------
仅展示优化后的结果：
Test result: 
 Accuracy:97.33000000000001%,Avg loss:0.10455594740913303

总结

本篇介绍了：

1. PyTorch的框架
2. 数据类型张量，数据集的获取
3. 如何构建对应神经网络的模型
4. 如何优化算法：一、修改optimizer优化器的算法；二、遍历合适的训练周期（epochs）数