用PyTorch实现MNIST手写数字识别(非常详细)「建议收藏」

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

hello大家好！我又来搬文章了！我就不信还有比这更详细的？！

MNIST可以说是机器学习入门的hello word了！导师一般第一个就让你研究MNIST，研究透了，也算基本入门了。好的，今天就来扯一扯学一学。

    在本文中，我们将在PyTorch中构建一个简单的卷积神经网络，并使用MNIST数据集训练它识别手写数字。在MNIST数据集上训练分类器可以看作是图像识别的“hello world”。

    MNIST包含70,000张手写数字图像: 60,000张用于培训，10,000张用于测试。图像是灰度的，28×28像素的，并且居中的，以减少预处理和加快运行。

设置环境

    在本文中，我们将使用PyTorch训练一个卷积神经网络来识别MNIST的手写数字。PyTorch是一个非常流行的深度学习框架，比如Tensorflow、CNTK和caffe2。但是与其他框架不同的是，PyTorch具有动态执行图，这意味着计算图是动态创建的。

    先去官网上根据指南在PC上装好PyTorch环境，然后引入库。

import torchimport torchvisionfrom torch.utils.data import DataLoader

准备数据集

    导入就绪后，我们可以继续准备将要使用的数据。但在那之前，我们将定义超参数，我们将使用的实验。在这里，epoch的数量定义了我们将循环整个训练数据集的次数，而learning_rate和momentum是我们稍后将使用的优化器的超参数。

n_epochs = 3batch_size_train = 64batch_size_test = 1000learning_rate = 0.01momentum = 0.5log_interval = 10random_seed = 1torch.manual_seed(random_seed)

    对于可重复的实验，我们必须为任何使用随机数产生的东西设置随机种子——如numpy和random! 

    现在我们还需要数据集的dataloader。这就是TorchVision发挥作用的地方。它让我们用一种方便的方式来加载MNIST数据集。我们将使用batch_size=64进行训练，并使用size=1000对这个数据集进行测试。下面的Normalize()转换使用的值0.1307和0.3081是MNIST数据集的全局平均值和标准偏差，这里我们将它们作为给定值。

    TorchVision提供了许多方便的转换，比如裁剪或标准化。

train_loader = torch.utils.data.DataLoader(  torchvision.datasets.MNIST('./data/', train=True, download=True,                             transform=torchvision.transforms.Compose([                               torchvision.transforms.ToTensor(),                               torchvision.transforms.Normalize(                                 (0.1307,), (0.3081,))                             ])),  batch_size=batch_size_train, shuffle=True)test_loader = torch.utils.data.DataLoader(  torchvision.datasets.MNIST('./data/', train=False, download=True,                             transform=torchvision.transforms.Compose([                               torchvision.transforms.ToTensor(),                               torchvision.transforms.Normalize(                                 (0.1307,), (0.3081,))                             ])),  batch_size=batch_size_test, shuffle=True)​

    运行上面的程序后，会自动将数据集下载到目录下的data文件夹。下载过程可能有点烦，经常卡住不动，只能多来几遍。完成后就是这样了：

    除了数据集和批处理大小之外，PyTorch的DataLoader还包含一些有趣的选项。例如，我们可以使用num_workers > 1来使用子进程异步加载数据，或者使用固定RAM(通过pin_memory)来加速RAM到GPU的传输。但是因为这些在我们使用GPU时很重要，我们可以在这里省略它们。

    现在让我们看一些例子。我们将为此使用test_loader。

    让我们看看一批测试数据由什么组成。

examples = enumerate(test_loader)batch_idx, (example_data, example_targets) = next(examples)print(example_targets)print(example_data.shape)

example_targets是图片实际对应的数字标签：

一批测试数据是一个形状张量：

    这意味着我们有1000个例子的28×28像素的灰度(即没有rgb通道)。

    我们可以使用matplotlib来绘制其中的一些

import matplotlib.pyplot as pltfig = plt.figure()for i in range(6):  plt.subplot(2,3,i+1)  plt.tight_layout()  plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray', interpolation='none')  plt.title("Ground Truth: {}".format(example_targets[i]))  plt.xticks([])  plt.yticks([])plt.show()

    好的，经过一些训练，这些应该不难识别。

构建网络

    现在让我们开始建立我们的网络。我们将使用两个2d卷积层，然后是两个全连接(或线性)层。作为激活函数，我们将选择整流线性单元(简称ReLUs)，作为正则化的手段，我们将使用两个dropout层。在PyTorch中，构建网络的一个好方法是为我们希望构建的网络创建一个新类。让我们在这里导入一些子模块，以获得更具可读性的代码。

import torch.nn as nnimport torch.nn.functional as Fimport torch.optim as optim

class Net(nn.Module):    def __init__(self):        super(Net, self).__init__()        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)        self.conv2 = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)        self.conv2_drop = nn.Dropout2d()        self.fc1 = nn.Linear(320, 50)        self.fc2 = nn.Linear(50, 10)    def forward(self, x):        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2))        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2_drop(self.conv2(x)), 2))        x = x.view(-1, 320)        x = F.relu(self.fc1(x))        x = F.dropout(x, training=self.training)        x = self.fc2(x)        return F.log_softmax(x)

    具体各部分的含义，在下面详细讲！

    广义地说，我们可以想到torch.nn层中包含可训练的参数，而torch.nn.functional就是纯粹的功能性。forward()传递定义了使用给定的层和函数计算输出的方式。为了便于调试，在前向传递中打印出张量是完全可以的。在试验更复杂的模型时，这就派上用场了。请注意，前向传递可以使用成员变量甚至数据本身来确定执行路径——它还可以使用多个参数!

    现在让我们初始化网络和优化器。

network = Net()optimizer = optim.SGD(network.parameters(), lr=learning_rate,                      momentum=momentum)

    注意:如果我们使用GPU进行训练，我们也应该使用例如network.cuda()将网络参数发送给GPU。在将网络参数传递给优化器之前，将它们传输到适当的设备是很重要的，否则优化器将无法以正确的方式跟踪它们。

模型训练

    是时候建立我们的训练循环了。首先，我们要确保我们的网络处于训练模式。然后，每个epoch对所有训练数据进行一次迭代。加载单独批次由DataLoader处理。

    首先，我们需要使用optimizer.zero_grad()手动将梯度设置为零，因为PyTorch在默认情况下会累积梯度。然后，我们生成网络的输出(前向传递)，并计算输出与真值标签之间的负对数概率损失。现在，我们收集一组新的梯度，并使用optimizer.step()将其传播回每个网络参数。有关PyTorch自动渐变系统内部工作方式的详细信息，请参阅autograd的官方文档(强烈推荐)。

    我们还将使用一些打印输出来跟踪进度。为了在以后创建一个良好的培训曲线，我们还创建了两个列表来节省培训和测试损失。在x轴上，我们希望显示网络在培训期间看到的培训示例的数量。

train_losses = []train_counter = []test_losses = []test_counter = [i*len(train_loader.dataset) for i in range(n_epochs + 1)]

    在开始训练之前，我们将运行一次测试循环，看看仅使用随机初始化的网络参数可以获得多大的精度/损失。你能猜出我们的准确度是多少吗?

def train(epoch):  network.train()  for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):    optimizer.zero_grad()    output = network(data)    loss = F.nll_loss(output, target)    loss.backward()    optimizer.step()    if batch_idx % log_interval == 0:      print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(        epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),        100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))      train_losses.append(loss.item())      train_counter.append(        (batch_idx*64) + ((epoch-1)*len(train_loader.dataset)))      torch.save(network.state_dict(), './model.pth')      torch.save(optimizer.state_dict(), './optimizer.pth')          train(1)

    神经网络模块以及优化器能够使用.state_dict()保存和加载它们的内部状态。这样，如果需要，我们就可以继续从以前保存的状态dict中进行训练——只需调用.load_state_dict(state_dict)。

    现在进入测试循环。在这里，我们总结了测试损失，并跟踪正确分类的数字来计算网络的精度。

def test():  network.eval()  test_loss = 0  correct = 0  with torch.no_grad():    for data, target in test_loader:      output = network(data)      test_loss += F.nll_loss(output, target, size_average=False).item()      pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1]      correct += pred.eq(target.data.view_as(pred)).sum()  test_loss /= len(test_loader.dataset)  test_losses.append(test_loss)  print('\nTest set: Avg. loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(    test_loss, correct, len(test_loader.dataset),    100. * correct / len(test_loader.dataset)))    test()

    使用上下文管理器no_grad()，我们可以避免将生成网络输出的计算结果存储在计算图中。
    是时候开始训练了!我们将在循环遍历n_epochs之前手动添加test()调用，以使用随机初始化的参数来评估我们的模型。

test()for epoch in range(1, n_epochs + 1):  train(epoch)  test()

震惊了，我的电脑！！

运行结果：

评估模型的性能

    就是这样。仅仅经过3个阶段的训练，我们已经能够达到测试集97%的准确率!我们开始使用随机初始化的参数，正如预期的那样，在开始训练之前，测试集的准确率只有10%左右。

    我们来画一下训练曲线。

test()for epoch in range(1, n_epochs + 1):  train(epoch)  test()import matplotlib.pyplot as pltfig = plt.figure()plt.plot(train_counter, train_losses, color='blue')plt.scatter(test_counter, test_losses, color='red')plt.legend(['Train Loss', 'Test Loss'], loc='upper right')plt.xlabel('number of training examples seen')plt.ylabel('negative log likelihood loss')plt.show()

    从训练曲线来看，看起来我们甚至可以继续训练几个epoch!

    但在此之前，让我们再看看几个例子，正如我们之前所做的，并比较模型的输出。

examples = enumerate(test_loader)batch_idx, (example_data, example_targets) = next(examples)with torch.no_grad():  output = network(example_data)fig = plt.figure()for i in range(6):  plt.subplot(2,3,i+1)  plt.tight_layout()  plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray', interpolation='none')  plt.title("Prediction: {}".format(    output.data.max(1, keepdim=True)[1][i].item()))  plt.xticks([])  plt.yticks([])plt.show()

    我们的模型对这些例子的预测似乎是正确的!

检查点的持续训练

    现在让我们继续对网络进行训练，或者看看如何从第一次培训运行时保存的state_dicts中继续进行训练。我们将初始化一组新的网络和优化器。

continued_network = Net()continued_optimizer = optim.SGD(network.parameters(), lr=learning_rate,                                momentum=momentum)

    使用.load_state_dict()，我们现在可以加载网络的内部状态，并在最后一次保存它们时优化它们。

network_state_dict = torch.load('model.pth')continued_network.load_state_dict(network_state_dict)optimizer_state_dict = torch.load('optimizer.pth')continued_optimizer.load_state_dict(optimizer_state_dict)

    同样，运行一个训练循环应该立即恢复我们之前的训练。为了检查这一点，我们只需使用与前面相同的列表来跟踪损失值。由于我们为所看到的训练示例的数量构建测试计数器的方式，我们必须在这里手动添加它。

for i in range(4,9):  test_counter.append(i*len(train_loader.dataset))  train(i)  test()

    太棒了!我们再次看到测试集的准确性从一个epoch到另一个epoch有了(运行更慢的，慢的多了)提高。让我们用图像来进一步检查训练进度。

fig = plt.figure()plt.plot(train_counter, train_losses, color='blue')plt.scatter(test_counter, test_losses, color='red')plt.legend(['Train Loss', 'Test Loss'], loc='upper right')plt.xlabel('number of training examples seen')plt.ylabel('negative log likelihood loss')plt.show()

​（我没跑出了，但）

    这看起来仍然像一个相当平滑的学习曲线，就像我们最初要训练8个epoch!请记住，我们只是将值添加到从第5个红点开始的相同列表中。

    ​由此我们可以得出两个结论:

    ​    ​1. 从检查点内部状态继续按预期工作。
    ​    ​2. 我们似乎仍然没有遇到过拟合问题!看起来我们的dropout层做了一个很好的规范模型。

​

总结

    总之，我们使用PyTorch和TorchVision构建了一个新环境，并使用它从MNIST数据集中对手写数字进行分类，希望使用PyTorch开发出一个良好的直觉。对于进一步的信息，官方的PyTorch文档确实写得很好，论坛也很活跃!