概述

在PyTorch中構建自己的卷積神經網絡（CNN）的實踐教程

我們將研究一個圖像分類問題——CNN的一個經典和廣泛使用的應用

我們將以實用的格式介紹深度學習概念

介紹

我被神經網絡的力量和能力所吸引。在機器學習和深度學習領域，幾乎每一次突破都以神經網絡模型為核心。

這在計算機視覺領域尤為普遍。無論是簡單的圖像分類還是更高級的東西（如對象檢測），神經網絡開辟了處理圖像數據的可能性。簡而言之，對于像我這樣的數據科學家來說，這是一座金礦！

當我們使用深度學習來解決一個圖像分類問題時，簡單的神經網絡總是一個好的起點。但是，它們確實有局限性，而且模型的性能在達到一定程度后無法得到改善。

這就是卷積神經網絡（CNNs）改變了競爭環境的地方。它們在計算機視覺應用中無處不在。老實說，我覺得每一個計算機視覺愛好者都應該可以很快學會這個概念。

我將向你介紹使用流行的PyTorch框架進行深度學習的新概念。在本文中，我們將了解卷積神經網絡是如何工作的，以及它如何幫助我們改進模型的性能。我們還將研究在PyTorch中CNNs的實現。

目錄

1．簡要介紹PyTorch、張量和NumPy

2．為什么選擇卷積神經網絡（CNNs）？

3．識別服裝問題

4．使用PyTorch實現CNNs

一、簡要介紹PyTorch、張量和NumPy

讓我們快速回顧一下第一篇文章中涉及的內容。我們討論了PyTorch和張量的基礎知識，還討論了PyTorch與NumPy的相似之處。

PyTorch是一個基于python的庫，提供了以下功能：

用于創建可序列化和可優化模型的TorchScript

以分布式訓練進行并行化計算

動態計算圖，等等

PyTorch中的張量類似于NumPy的n維數組，也可以與gpu一起使用。在這些張量上執行操作幾乎與在NumPy數組上執行操作類似。這使得PyTorch非常易于使用和學習。

在本系列的第1部分中，我們構建了一個簡單的神經網絡來解決一個案例研究。使用我們的簡單模型，我們在測試集中獲得了大約65％的基準準確度�，F在，我們將嘗試使用卷積神經網絡來提高這個準確度。

二、為什么選擇卷積神經網絡（CNNs）？

在我們進入實現部分之前，讓我們快速地看看為什么我們首先需要CNNs，以及它們是如何工作的。

我們可以將卷積神經網絡（CNNs）看作是幫助從圖像中提取特征的特征提取器。

在一個簡單的神經網絡中，我們把一個三維圖像轉換成一維圖像，對吧？讓我們看一個例子來理解這一點：

你能認出上面的圖像嗎？這似乎說不通�，F在，讓我們看看下面的圖片：

我們現在可以很容易地說，這是一只狗。如果我告訴你這兩個圖像是一樣的呢？相信我，他們是一樣的！唯一的區別是第一個圖像是一維的，而第二個圖像是相同圖像的二維表示。

空間定位

人工神經網絡也會丟失圖像的空間方向。讓我們再舉個例子來理解一下：

你能分辨出這兩幅圖像的區別嗎？至少我不能。由于這是一個一維的表示，因此很難確定它們之間的區別�，F在，讓我們看看這些圖像的二維表示：

在這里，圖像某些定位已經改變，但我們無法通過查看一維表示來識別它。

這就是人工神經網絡的問題——它們失去了空間定位。

大量參數

神經網絡的另一個問題是參數太多。假設我們的圖像大小是28＊28＊3 －所以這里的參數是2352。如果我們有一個大小為224＊224＊3的圖像呢？這里的參數數量為150，528。

這些參數只會隨著隱藏層的增加而增加。因此，使用人工神經網絡的兩個主要缺點是：

1．丟失圖像的空間方向

2．參數的數量急劇增加

那么我們如何處理這個問題呢？如何在保持空間方向的同時減少可學習參數？

這就是卷積神經網絡真正有用的地方。CNNs有助于從圖像中提取特征，這可能有助于對圖像中的目標進行分類。它首先從圖像中提取低維特征（如邊緣），然后提取一些高維特征（如形狀）。

我們使用濾波器從圖像中提取特征，并使用池技術來減少可學習參數的數量。

在本文中，我們不會深入討論這些主題的細節。如果你希望了解濾波器如何幫助提取特征和池的工作方式，我強烈建議你從頭開始學習卷積神經網絡的全面教程。

三、理解問題陳述：識別服裝

理論部分已經鋪墊完了，開始寫代碼吧。我們將討論與第一篇文章相同的問題陳述。這是因為我們可以直接將我們的CNN模型的性能與我們在那里建立的簡單神經網絡進行比較。

你可以從這里下載“識別”Apparels問題的數據集。

https：／／datahack．analyticsvidhya．com／contest／practice－problem－identify－the－apparels／？utm＿source＝blog＆utm＿medium＝building－image－classification－models－cnn－pytorch

讓我快速總結一下問題陳述。我們的任務是通過觀察各種服裝形象來識別服裝的類型。我們總共有10個類可以對服裝的圖像進行分類：

Label

Description

0

T－shirt／top

1

Trouser

2

Pullover

3

Dress

4

Coat

5

Sandal

6

Shirt

7

Sneaker

8

Bag

9

Ankle boot

數據集共包含70，000張圖像。其中60000張屬于訓練集，其余10000張屬于測試集。所有的圖像都是大�。�28＊28）的灰度圖像。數據集包含兩個文件夾，—一個用于訓練集，另一個用于測試集。每個文件夾中都有一個．csv文件，該文件具有圖像的id和相應的標簽；

準備好開始了嗎？我們將首先導入所需的庫：

＃ 導入庫
import pandas as pd
import numpy as np
＃ 讀取與展示圖片
from skimage．io import imread
import matplotlib．pyplot as plt
％matplotlib inline
＃ 創建驗證集
from sklearn．model＿selection import train＿test＿split
＃ 評估模型
from sklearn．metrics import accuracy＿score
from tqdm import tqdm
＃ Pytorch的相關庫
import torch
from torch．autograd import Variable
from torch．nn import Linear， ReLU， CrossEntropyLoss， Sequential， Conv2d， MaxPool2d， Module， Softmax， BatchNorm2d， Dropout
from torch．optim import Adam， SGD

加載數據集

現在，讓我們加載數據集，包括訓練，測試樣本：

＃ 加載數據集
train ＝ pd．read＿csv（＇train＿LbELtWX／train．csv＇）
test ＝ pd．read＿csv（＇test＿ScVgIM0／test．csv＇）
sample＿submission ＝ pd．read＿csv（＇sample＿submission＿I5njJSF．csv＇）
train．head（）

該訓練文件包含每個圖像的id及其對應的標簽

另一方面，測試文件只有id，我們必須預測它們對應的標簽

樣例提交文件將告訴我們預測的格式

我們將一個接一個地讀取所有圖像，并將它們堆疊成一個數組。我們還將圖像的像素值除以255，使圖像的像素值在［0，1］范圍內。這一步有助于優化模型的性能。

讓我們來加載圖像：

＃ 加載訓練圖像
train＿img ＝ ［］
for img＿name in tqdm（train［＇id＇］）：
   ＃ 定義圖像路徑
   image＿path ＝ ＇train＿LbELtWX／train／＇ ＋ str（img＿name） ＋ ＇．png＇
   ＃ 讀取圖片
   img ＝ imread（image＿path， as＿gray＝True）
   ＃ 歸一化像素值
   img ／＝ 255．0
   ＃ 轉換為浮點數
   img ＝ img．astype（＇float32＇）
   ＃ 添加到列表
   train＿img．append（img）
＃ 轉換為numpy數組
train＿x ＝ np．array（train＿img）
＃ 定義目標
train＿y ＝ train［＇label＇］．values
train＿x．shape

如你所見，我們在訓練集中有60，000張大小（28，28）的圖像。由于圖像是灰度格式的，我們只有一個單一通道，因此形狀為（28，28）。

現在讓我們研究數據和可視化一些圖像：

＃ 可視化圖片
i ＝ 0
plt．figure（figsize＝（10，10））
plt．subplot（221）， plt．imshow（train＿x［i］， cmap＝＇gray＇）
plt．subplot（222）， plt．imshow（train＿x［i＋25］， cmap＝＇gray＇）
plt．subplot（223）， plt．imshow（train＿x［i＋50］， cmap＝＇gray＇）
plt．subplot（224）， plt．imshow（train＿x［i＋75］， cmap＝＇gray＇）

以下是來自數據集的一些示例。我鼓勵你去探索更多，想象其他的圖像。接下來，我們將把圖像分成訓練集和驗證集。

創建驗證集并對圖像進行預處理

＃ 創建驗證集
train＿x， val＿x， train＿y， val＿y ＝ train＿test＿split（train＿x， train＿y， test＿size ＝ 0．1）
（train＿x．shape， train＿y．shape）， （val＿x．shape， val＿y．shape）

我們在驗證集中保留了10％的數據，在訓練集中保留了10％的數據。接下來將圖片和目標轉換成torch格式：

＃ 轉換為torch張量
train＿x ＝ train＿x．reshape（54000， 1， 28， 28）
train＿x  ＝ torch．from＿numpy（train＿x）
＃ 轉換為torch張量
train＿y ＝ train＿y．astype（int）；
train＿y ＝ torch．from＿numpy（train＿y）
＃ 訓練集形狀
train＿x．shape， train＿y．shape

同樣，我們將轉換驗證圖像：

＃ 轉換為torch張量
val＿x ＝ val＿x．reshape（6000， 1， 28， 28）
val＿x  ＝ torch．from＿numpy（val＿x）
＃ 轉換為torch張量
val＿y ＝ val＿y．astype（int）；
val＿y ＝ torch．from＿numpy（val＿y）
＃ 驗證集形狀
val＿x．shape， val＿y．shape

我們的數據現在已經準備好了。最后，是時候創建我們的CNN模型了！

四、使用PyTorch實現CNNs

我們將使用一個非常簡單的CNN架構，只有兩個卷積層來提取圖像的特征。然后，我們將使用一個完全連接的Dense層將這些特征分類到各自的類別中。

讓我們定義一下架構：

class Net（Module）：  
   def ＿＿init＿＿（self）：
       super（Net， self）．＿＿init＿＿（）
       self．cnn＿layers ＝ Sequential（
           ＃ 定義2D卷積層
           Conv2d（1， 4， kernel＿size＝3， stride＝1， padding＝1），
           BatchNorm2d（4），
           ReLU（inplace＝True），
           MaxPool2d（kernel＿size＝2， stride＝2），
           ＃ 定義另一個2D卷積層
           Conv2d（4， 4， kernel＿size＝3， stride＝1， padding＝1），
           BatchNorm2d（4），
           ReLU（inplace＝True），
           MaxPool2d（kernel＿size＝2， stride＝2），
       ）
       self．linear＿layers ＝ Sequential（
           Linear（4 ＊ 7 ＊ 7， 10）
       ）
   ＃ 前項傳播
   def forward（self， x）：
       x ＝ self．cnn＿layers（x）
       x ＝ x．view（x．size（0）， －1）
       x ＝ self．linear＿layers（x）
       return x

現在我們調用這個模型，定義優化器和模型的損失函數：

＃ 定義模型
model ＝ Net（）
＃ 定義優化器
optimizer ＝ Adam（model．parameters（）， lr＝0．07）
＃ 定義loss函數
criterion ＝ CrossEntropyLoss（）
＃ 檢查GPU是否可用
if torch．cuda．is＿available（）：
   model ＝ model．cuda（）
   criterion ＝ criterion．cuda（）
print（model）

這是模型的架構。我們有兩個卷積層和一個線性層。接下來，我們將定義一個函數來訓練模型：

def train（epoch）：
   model．train（）
   tr＿loss ＝ 0
   ＃ 獲取訓練集
   x＿train， y＿train ＝ Variable（train＿x）， Variable（train＿y）
   ＃ 獲取驗證集
   x＿val， y＿val ＝ Variable（val＿x）， Variable（val＿y）
   ＃ 轉換為GPU格式
   if torch．cuda．is＿available（）：
       x＿train ＝ x＿train．cuda（）
       y＿train ＝ y＿train．cuda（）
       x＿val ＝ x＿val．cuda（）
       y＿val ＝ y＿val．cuda（）
   ＃ 清除梯度
   optimizer．zero＿grad（）
   ＃ 預測訓練與驗證集
   output＿train ＝ model（x＿train）
   output＿val ＝ model（x＿val）
   ＃ 計算訓練集與驗證集損失
   loss＿train ＝ criterion（output＿train， y＿train）
   loss＿val ＝ criterion（output＿val， y＿val）
   train＿losses．append（loss＿train）
   val＿losses．append（loss＿val）
   ＃ 更新權重
   loss＿train．backward（）
   optimizer．step（）
   tr＿loss ＝ loss＿train．item（）
   if epoch％2 ＝＝ 0：
       ＃ 輸出驗證集loss
       print（＇Epoch ： ＇，epoch＋1， ＇ ＇， ＇loss ：＇， loss＿val）

最后，我們將對模型進行25個epoch的訓練，并存儲訓練和驗證損失：

＃ 定義輪數
n＿epochs ＝ 25
＃ 空列表存儲訓練集損失
train＿losses ＝ ［］
＃ 空列表存儲驗證集損失
val＿losses ＝ ［］
＃ 訓練模型
for epoch in range（n＿epochs）：
   train（epoch）

可以看出，隨著epoch的增加，驗證損失逐漸減小。讓我們通過繪圖來可視化訓練和驗證的損失：

＃ 畫出loss曲線
plt．plot（train＿losses， label＝＇Training loss＇）
plt．plot（val＿losses， label＝＇Validation loss＇）
plt．legend（）
plt．show（）

啊，我喜歡想象的力量。我們可以清楚地看到，訓練和驗證損失是同步的。這是一個好跡象，因為模型在驗證集上進行了很好的泛化。

讓我們在訓練和驗證集上檢查模型的準確性：

＃ 訓練集預測
with torch．no＿grad（）：
   output ＝ model（train＿x．cuda（））
softmax ＝ torch．exp（output）．cpu（）
prob ＝ list（softmax．numpy（））
predictions ＝ np．argmax（prob， axis＝1）
＃ 訓練集精度
accuracy＿score（train＿y， predictions）

訓練集的準確率約為72％，相當不錯。讓我們檢查驗證集的準確性：

＃ 驗證集預測
with torch．no＿grad（）：
   output ＝ model（val＿x．cuda（））
softmax ＝ torch．exp（output）．cpu（）
prob ＝ list（softmax．numpy（））
predictions ＝ np．argmax（prob， axis＝1）
＃ 驗證集精度
accuracy＿score（val＿y， predictions）

正如我們看到的損失，準確度也是同步的－我們在驗證集得到了72％的準確度。

為測試集生成預測

最后是時候為測試集生成預測了。我們將加載測試集中的所有圖像，執行與訓練集相同的預處理步驟，最后生成預測。

所以，讓我們開始加載測試圖像：

＃ 載入測試圖
test＿img ＝ ［］
for img＿name in tqdm（test［＇id＇］）：
   ＃ 定義圖片路徑
   image＿path ＝ ＇test＿ScVgIM0／test／＇ ＋ str（img＿name） ＋ ＇．png＇
   ＃ 讀取圖片
   img ＝ imread（image＿path， as＿gray＝True）
   ＃ 歸一化像素
   img ／＝ 255．0
   ＃ 轉換為浮點數
   img ＝ img．astype（＇float32＇）
   ＃ 添加到列表
   test＿img．append（img）
＃ 轉換為numpy數組
test＿x ＝ np．array（test＿img）
test＿x．shape

現在，我們將對這些圖像進行預處理步驟，類似于我們之前對訓練圖像所做的：

＃ 轉換為torch格式
test＿x ＝ test＿x．reshape（10000， 1， 28， 28）
test＿x  ＝ torch．from＿numpy（test＿x）
test＿x．shape

最后，我們將生成對測試集的預測：

＃ 生成測試集預測
with torch．no＿grad（）：
   output ＝ model（test＿x．cuda（））
softmax ＝ torch．exp（output）．cpu（）
prob ＝ list（softmax．numpy（））
predictions ＝ np．argmax（prob， axis＝1）

用預測替換樣本提交文件中的標簽，最后保存文件并提交到排行榜：

＃ 用預測替換
sample＿submission［＇label＇］ ＝ predictions
sample＿submission．head（）

＃ 保存文件
sample＿submission．to＿csv（＇submission．csv＇， index＝False）

你將在當前目錄中看到一個名為submission．csv的文件。你只需要把它上傳到問題頁面的解決方案檢查器上，它就會生成分數。鏈接：https：／／datahack．analyticsvidhya．com／contest／practice－problem－identify－the－apparels／？utm＿source＝blog＆utm＿medium＝building－image－classification－models－cnn－pytorch

我們的CNN模型在測試集上給出了大約71％的準確率，這與我們在上一篇文章中使用簡單的神經網絡得到的65％的準確率相比是一個很大的進步。

結尾

在這篇文章中，我們研究了CNNs是如何從圖像中提取特征的。他們幫助我們將之前的神經網絡模型的準確率從65％提高到71％，這是一個重大的進步。

你可以嘗試使用CNN模型的超參數，并嘗試進一步提高準確性。要調優的超參數可以是卷積層的數量、每個卷積層的濾波器數量、epoch的數量、全連接層的數量、每個全連接層的隱藏單元的數量等。