LeNet-5(fashion-mnist)

前言

LeNet是最早发布的卷积神经网络之一。该模型被提出用于识别图像中的手写数字。

LeNet

LeNet-5由以下两个部分组成

• 卷积编码器（2）
• 全连接层（3）
  卷积块由一个卷积层、一个sigmoid激活函数和一个平均汇聚层组成。
  第一个卷积层有6个输出通道，第二个卷积层有16个输出通道。采用2×2的汇聚操作，且步幅为2.
  3个全连接层分别有120，84，10个输出。
  此处对原始模型做出部分修改，去除最后一层的高斯激活。

net=nn.Sequential(nn.Conv2d(1,6,kernel_size=5,padding=2),nn.Sigmoid(),
                  nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
                  nn.Conv2d(6,16,kernel_size=5),nn.Sigmoid(),
                  nn.AvgPool2d(kernel_size=2,stride=2),
                  nn.Flatten(),
                  nn.Linear(16*5*5,120),nn.Sigmoid(),
                  nn.Linear(120,84),nn.Sigmoid(),
                  nn.Linear(84,10))

模型训练

为了加快训练，使用GPU计算测试集上的精度以及训练过程中的计算。
此处采用xavier初始化模型参数以及交叉熵损失函数和小批量梯度下降。

batch_size=256
train_iter,test_iter=data_iter.load_data_fashion_mnist(batch_size)

将数据送入GPU进行计算测试集准确率

def evaluate_accuracy_gpu(net,data_iter,device=None):
    """使用GPU计算模型在数据集上的精度"""
    if isinstance(net,torch.nn.Module):
        net.eval()
        if not device:
            device=next(iter(net.parameters())).device
    # 正确预测的数量，预测的总数
    eva = 0.0
    y_num = 0.0
    with torch.no_grad():
        for X,y in data_iter:
            if isinstance(X,list):
                X=[x.to(device) for x in X]
            else:
                X=X.to(device)
            y=y.to(device)
            eva += accuracy(net(X), y)
            y_num += y.numel()
    return eva/y_num

训练过程同样将数据送入GPU计算

def train_epoch_gpu(net, train_iter, loss, updater,device):

    # 训练损失之和，训练准确数之和，样本数
    train_loss_sum = 0.0
    train_acc_sum = 0.0
    num_samples = 0.0
    # timer = d2l.torch.Timer()
    for i, (X, y) in enumerate(train_iter):
        # timer.start()
        updater.zero_grad()
        X, y = X.to(device), y.to(device)
        y_hat = net(X)
        l = loss(y_hat, y)
        l.backward()
        updater.step()
        with torch.no_grad():
            train_loss_sum += l * X.shape[0]
            train_acc_sum += evaluation.accuracy(y_hat, y)
            num_samples += X.shape[0]
        # timer.stop()
    return train_loss_sum/num_samples,train_acc_sum/num_samples


def train_gpu(net,train_iter,test_iter,num_epochs,lr,device):
    def init_weights(m):
        if type(m)==torch.nn.Linear or type(m)==torch.nn.Conv2d:
            torch.nn.init.xavier_uniform_(m.weight)

    net.apply(init_weights)
    net.to(device)
    print('training on',device)
    optimizer=torch.optim.SGD(net.parameters(),lr=lr)
    loss=torch.nn.CrossEntropyLoss()
    # num_batches=len(train_iter)
    tr_l=[]
    tr_a=[]
    te_a=[]
    for epoch in range(num_epochs):
        net.train()
        train_metric=train_epoch_gpu(net,train_iter,loss,optimizer,device)
        test_accuracy = evaluation.evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter)
        train_loss, train_acc = train_metric
        train_loss = train_loss.cpu().detach().numpy()
        tr_l.append(train_loss)
        tr_a.append(train_acc)
        te_a.append(test_accuracy)
        print(f'epoch: {epoch + 1}, train_loss: {train_loss}, train_acc: {train_acc}, test_acc:{test_accuracy}')
    x = torch.arange(num_epochs)
    plt.plot((x + 1), tr_l, '-', label='train_loss')
    plt.plot(x + 1, tr_a, '--', label='train_acc')
    plt.plot(x + 1, te_a, '-.', label='test_acc')
    plt.legend()
    plt.show()
    print(f'on {str(device)}')

lr,num_epochs=0.9,10
Train.train_gpu(net,train_iter,test_iter,num_epochs,lr,device='cuda')