动手学深度学习—使用块的网络VGG（代码详解）

1. VGG块

经典卷积神经网络的基本组成部分是下面的这个序列：
1.带填充以保持分辨率的卷积层；
2.非线性激活函数，如ReLU；
3.汇聚层，如最大汇聚层。

定义网络块，便于我们重复构建某些网络架构，不仅利于代码编写与阅读也利于后面参数的优化

"""定义了一个名为vgg_block的函数来实现一个VGG块：1、卷积层的数量num_convs2、输入通道的数量in_channels 3、输出通道的数量out_channels
"""
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l# 定义vgg块，（卷积层数，输入通道，输出通道）
def vgg_block(num_convs, in_channels, out_channels):# 创建空网络结果，之后通过循环操作使用append函数进行添加layers = []# 循环操作，添加卷积层和非线性激活层for _ in range(num_convs):layers.append(nn.Conv2d(in_channels, out_channels,kernel_size=3, padding=1))layers.append(nn.ReLU())in_channels = out_channels# 最后添加最大值汇聚层layers.append(nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2))return nn.Sequential(*layers)

2. VGG网络

在这里插入图片描述
由于会重复用到卷积层、激活函数ReLU和汇聚层，我们将这三个组合成一个块，每次引用这个块来构建网络模型。
通过定义VGG块，使得重复的网络结构实现起来更加容易，也利于代码阅读。

# 原VGG网络有5个卷积块，前两个有一个卷积层，后三个块有两个卷积层
# 该网络使用8个卷积层和3个全连接层，因此它通常被称为VGG-11# (卷积层数，输出通道数)
conv_arch = ((1, 64), (1, 128), (2, 256), (2, 512), (2, 512))

实现VGG-11：使用8个卷积层和3个全连接层

# 通过for循环实现VGG-11
def vgg(conv_arch):# 定义空网络结构conv_blks = []in_channels = 1# 卷积层部分for (num_convs, out_channels) in conv_arch:# 添加vgg块conv_blks.append(vgg_block(num_convs, in_channels, out_channels))# 下一层输入通道数=当前层输出通道数in_channels = out_channelsreturn nn.Sequential(*conv_blks, nn.Flatten(),# 全连接层部分nn.Linear(out_channels * 7 * 7, 4096), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),nn.Linear(4096, 4096), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),nn.Linear(4096, 10))net = vgg(conv_arch)

构建一个高度和宽度为224的单通道数据样本，以观察每个层输出的形状

# 构建一个高度和宽度为224的单通道数据样本，以观察每个层输出的形状
X = torch.randn(size=(1, 1, 224, 224))
for blk in net:X = blk(X)print(blk.__class__.__name__, 'output shape:\t', X.shape)

每一层的输出形状
在这里插入图片描述

3. 训练模型

构建了一个通道数较少的网络，足够用于训练Fashion-MNIST数据集

# 构建了一个通道数较少的网络，足够用于训练Fashion-MNIST数据集
ratio = 4
# //为整除
small_conv_arch = [(pair[0], pair[1] // 4) for pair in conv_arch]
net = vgg(small_conv_arch)

定义精度评估函数

"""定义精度评估函数：1、将数据集复制到显存中2、通过调用accuracy计算数据集的精度
"""
def evaluate_accuracy_gpu(net, data_iter, device=None): #@save# 判断net是否属于torch.nn.Module类if isinstance(net, nn.Module):net.eval()# 如果不在参数选定的设备，将其传输到设备中if not device:device = next(iter(net.parameters())).device# Accumulator是累加器，定义两个变量：正确预测的数量，总预测的数量。metric = d2l.Accumulator(2)with torch.no_grad():for X, y in data_iter:# 将X, y复制到设备中if isinstance(X, list):# BERT微调所需的（之后将介绍）X = [x.to(device) for x in X]else:X = X.to(device)y = y.to(device)# 计算正确预测的数量，总预测的数量，并存储到metric中metric.add(d2l.accuracy(net(X), y), y.numel())return metric[0] / metric[1]

定义GPU 训练函数

"""定义GPU训练函数：1、为了使用gpu，首先需要将每一小批量数据移动到指定的设备（例如GPU）上；2、使用Xavier随机初始化模型参数；3、使用交叉熵损失函数和小批量随机梯度下降。
"""
#@save
def train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, device):"""用GPU训练模型(在第六章定义)"""# 定义初始化参数，对线性层和卷积层生效def init_weights(m):if type(m) == nn.Linear or type(m) == nn.Conv2d:nn.init.xavier_uniform_(m.weight)net.apply(init_weights)# 在设备device上进行训练print('training on', device)net.to(device)# 优化器：随机梯度下降optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)# 损失函数：交叉熵损失函数loss = nn.CrossEntropyLoss()# Animator为绘图函数animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs],legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])# 调用Timer函数统计时间timer, num_batches = d2l.Timer(), len(train_iter)for epoch in range(num_epochs):# Accumulator(3)定义3个变量：损失值，正确预测的数量，总预测的数量metric = d2l.Accumulator(3)net.train()# enumerate() 函数用于将一个可遍历的数据对象for i, (X, y) in enumerate(train_iter):timer.start() # 进行计时optimizer.zero_grad() # 梯度清零X, y = X.to(device), y.to(device) # 将特征和标签转移到devicey_hat = net(X)l = loss(y_hat, y) # 交叉熵损失l.backward() # 进行梯度传递返回optimizer.step()with torch.no_grad():# 统计损失、预测正确数和样本数metric.add(l * X.shape[0], d2l.accuracy(y_hat, y), X.shape[0])timer.stop() # 计时结束train_l = metric[0] / metric[2] # 计算损失train_acc = metric[1] / metric[2] # 计算精度# 进行绘图if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,(train_l, train_acc, None))# 测试精度test_acc = evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter) animator.add(epoch + 1, (None, None, test_acc))# 输出损失值、训练精度、测试精度print(f'loss {train_l:.3f}, train acc {train_acc:.3f},'f'test acc {test_acc:.3f}')# 设备的计算能力print(f'{metric[2] * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec'f'on {str(device)}')

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进行训练

# 学习率略高
lr, num_epochs, batch_size = 0.05, 10, 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())