【python深度学习】Day 41 简单CNN

知识回顾

1. 数据增强
2. 卷积神经网络定义的写法
3. batch归一化：调整一个批次的分布，常用与图像数据
4. 特征图：只有卷积操作输出的才叫特征图
5. 调度器：直接修改基础学习率

卷积操作常见流程如下：

1. 输入 → 卷积层 → Batch归一化层（可选） → 池化层 → 激活函数 → 下一层

2. Flatten →  Dense (with Dropout，可选) →  Dense (Output)

作业：尝试手动修改下不同的调度器和CNN的结构，观察训练的差异。

一、数据增强

在图像数据预处理环节，为提升数据多样性，可采用数据增强（数据增广）策略。该策略通常不改变单次训练的样本总数，而是通过对现有图像进行多样化变换，使每次训练输入的样本呈现更丰富的形态差异，从而有效扩展模型训练的样本空间多样性。

常见的修改策略包括以下几类

1. 几何变换：如旋转、缩放、平移、剪裁、裁剪、翻转

2. 像素变换：如修改颜色、亮度、对比度、饱和度、色相、高斯模糊（模拟对焦失败）、增加噪声、马赛克

3. 语义增强（暂时不用）：mixup，对图像进行结构性改造、cutout随机遮挡等

此外，在数据极少的场景长，常常用生成模型来扩充数据集，如GAN、VAE等。

注意：数据增强一般是不改变每个批次的数据量，是对原始数据修改后替换原始数据。其中该数据集事先知道其均值和标准差，如果不知道，需要提前计算。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")# 1. 数据预处理
# 训练集：使用多种数据增强方法提高模型泛化能力
train_transform = transforms.Compose([# 随机裁剪图像，从原图中随机截取32x32大小的区域transforms.RandomCrop(32, padding=4),# 随机水平翻转图像（概率0.5）transforms.RandomHorizontalFlip(),# 随机颜色抖动：亮度、对比度、饱和度和色调随机变化transforms.ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.2, saturation=0.2, hue=0.1),# 随机旋转图像（最大角度15度）transforms.RandomRotation(15),# 将PIL图像或numpy数组转换为张量transforms.ToTensor(),# 标准化处理：每个通道的均值和标准差，使数据分布更合理transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 测试集：仅进行必要的标准化，保持数据原始特性，标准化不损失数据信息，可还原
test_transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 2. 加载CIFAR-10数据集
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=train_transform  # 使用增强后的预处理
)test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=False,transform=test_transform  # 测试集不使用增强
)# 3. 创建数据加载器
batch_size = 64
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)

二、CNN模型

卷积的本质：通过卷积核在输入通道上的滑动乘积，提取跨通道的空间特征。只需要定义几个参数即可

1. 卷积核大小：卷积核的大小，如3x3、5x5、7x7等。

2. 输入通道数：输入图片的通道数，如1（单通道图片）、3（RGB图片）、4（RGBA图片）等。

3. 输出通道数：卷积核的个数，即输出的通道数。如本模型中通过 32→64→128 逐步增加特征复杂度

4. 步长（stride）：卷积核的滑动步长，默认为1。

# 4. 定义CNN模型的定义（替代原MLP）
class CNN(nn.Module):def __init__(self):super(CNN, self).__init__()  # 继承父类初始化# ---------------------- 第一个卷积块 ----------------------# 卷积层1：输入3通道（RGB），输出32个特征图，卷积核3x3，边缘填充1像素self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,       # 输入通道数（图像的RGB通道）out_channels=32,     # 输出通道数（生成32个新特征图）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸（3x3像素）padding=1            # 边缘填充1像素，保持输出尺寸与输入相同)# 批量归一化层：对32个输出通道进行归一化，加速训练self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_features=32)# ReLU激活函数：引入非线性，公式：max(0, x)self.relu1 = nn.ReLU()# 最大池化层：窗口2x2，步长2，特征图尺寸减半（32x32→16x16）self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)  # stride默认等于kernel_size# ---------------------- 第二个卷积块 ----------------------# 卷积层2：输入32通道（来自conv1的输出），输出64通道self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=32,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=64,     # 输出通道数（特征图数量翻倍）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸不变padding=1            # 保持尺寸：16x16→16x16（卷积后）→8x8（池化后）)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_features=64)self.relu2 = nn.ReLU()self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：16x16→8x8# ---------------------- 第三个卷积块 ----------------------# 卷积层3：输入64通道，输出128通道self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=64,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=128,    # 输出通道数（特征图数量再次翻倍）kernel_size=3,padding=1            # 保持尺寸：8x8→8x8（卷积后）→4x4（池化后）)self.bn3 = nn.BatchNorm2d(num_features=128)self.relu3 = nn.ReLU()  # 复用激活函数对象（节省内存）self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：8x8→4x4# ---------------------- 全连接层（分类器） ----------------------# 计算展平后的特征维度：128通道 × 4x4尺寸 = 128×16=2048维self.fc1 = nn.Linear(in_features=128 * 4 * 4,  # 输入维度（卷积层输出的特征数）out_features=512          # 输出维度（隐藏层神经元数）)# Dropout层：训练时随机丢弃50%神经元，防止过拟合self.dropout = nn.Dropout(p=0.5)# 输出层：将512维特征映射到10个类别（CIFAR-10的类别数）self.fc2 = nn.Linear(in_features=512, out_features=10)def forward(self, x):# 输入尺寸：[batch_size, 3, 32, 32]（batch_size=批量大小，3=通道数，32x32=图像尺寸）# ---------- 卷积块1处理 ----------x = self.conv1(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 32, 32, 32]（padding=1保持尺寸）x = self.bn1(x)         # 批量归一化，不改变尺寸x = self.relu1(x)       # 激活函数，不改变尺寸x = self.pool1(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 32, 16, 16]（32→16是因为池化窗口2x2）# ---------- 卷积块2处理 ----------x = self.conv2(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 64, 16, 16]（padding=1保持尺寸）x = self.bn2(x)x = self.relu2(x)x = self.pool2(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 64, 8, 8]# ---------- 卷积块3处理 ----------x = self.conv3(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 128, 8, 8]（padding=1保持尺寸）x = self.bn3(x)x = self.relu3(x)x = self.pool3(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 128, 4, 4]# ---------- 展平与全连接层 ----------# 将多维特征图展平为一维向量：[batch_size, 128*4*4] = [batch_size, 2048]x = x.view(-1, 128 * 4 * 4)  # -1自动计算批量维度，保持批量大小不变x = self.fc1(x)           # 全连接层：2048→512，尺寸变为[batch_size, 512]x = self.relu3(x)         # 激活函数（复用relu3，与卷积块3共用）x = self.dropout(x)       # Dropout随机丢弃神经元，不改变尺寸x = self.fc2(x)           # 全连接层：512→10，尺寸变为[batch_size, 10]（未激活，直接输出logits）return x  # 输出未经过Softmax的logits，适用于交叉熵损失函数# 初始化模型
model = CNN()
model = model.to(device)  # 将模型移至GPU（如果可用）

1. batch归一化

Batch 归一化是深度学习中常用的一种归一化技术，用于加速模型收敛并提升泛化能力，位于卷积层后。

卷积操作常见流程如下：

1. 输入 → 卷积层 → Batch归一化层（可选） → 池化层 → 激活函数 → 下一层

2. Flatten -> Dense (with Dropout，可选) -> Dense (Output)

其中，BatchNorm 应在池化前对空间维度的特征完成归一化，以确保归一化统计量基于足够多的样本（空间位置），避免池化导致的统计量偏差

旨在解决深度神经网络训练中的内部协变量偏移问题：深层网络中，随着前层参数更新，后层输入分布会发生变化，导致模型需要不断适应新分布，训练难度增加。就好比你在学新知识，知识体系的基础一直在变，你就得不断重新适应，模型训练也是如此，这就导致训练变得困难，这就是内部协变量偏移问题。

通过对每个批次的输入数据进行标准化（均值为 0、方差为 1），即把一堆杂乱无章、分布不同的数据规整到一个标准的样子。

1. 使各层输入分布稳定，让数据处于激活函数比较合适的区域，缓解梯度消失 / 爆炸问题;

2. 因为数据分布稳定了，所以允许使用更大的学习率，提升训练效率。

深度学习的归一化有2类：

1. Batch Normalization：一般用于图像数据，因为图像数据通常是批量处理，有相对固定的 Batch Size ，能利用 Batch 内数据计算稳定的统计量（均值、方差 ）来做归一化。

2. Layer Normalization：一般用于文本数据，本数据的序列长度往往不同，像不同句子长短不一，很难像图像那样固定 Batch Size 。如果用 Batch 归一化，不同批次的统计量波动大，效果不好。层归一化是对单个样本的所有隐藏单元进行归一化，不依赖批次。

ps：这个操作在结构化数据中其实是叫做标准化，但是在深度学习领域，习惯把这类对网络中间层数据进行调整分布的操作都叫做归一化 。

2.特征图

卷积层输出的叫做特征图，通过输入尺寸和卷积核的尺寸、步长可以计算出输出尺寸。可以通过可视化中间层的特征图，理解 CNN 如何从底层特征（如边缘）逐步提取高层语义特征（如物体部件、整体结构）。MLP是不输出特征图的，因为他输出的一维向量，无法保留空间维度

特征图就代表着在之前特征提取器上提取到的特征，可以通过 Grad-CAM方法来查看模型在识别图像时，特征图所对应的权重是多少。-----深度学习可解释性

3.调度器

ReduceLROnPlateau调度器适用于当监测的指标（如验证损失）停滞时降低学习率。是大多数任务的首选调度器，尤其适合验证集波动较大的情况

这种学习率调度器的方法相较于之前只有单纯的优化器，是一种超参数的优化方法，它通过调整学习率来优化模型。

常见的优化器有 adam、SGD、RMSprop 等，而除此之外学习率调度器有 lr_scheduler.StepLR、lr_scheduler.ExponentialLR、lr_scheduler.CosineAnnealingLR 等。

# 5. 训练模型（记录每个 iteration 的损失）
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, scheduler, device, epochs):model.train()  # 设置为训练模式# 记录每个 iteration 的损失all_iter_losses = []  # 存储所有 batch 的损失iter_indices = []     # 存储 iteration 序号# 记录每个 epoch 的准确率和损失train_acc_history = []test_acc_history = []train_loss_history = []test_loss_history = []for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0correct = 0total = 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data, target = data.to(device), target.to(device)  # 移至GPUoptimizer.zero_grad()  # 梯度清零output = model(data)  # 前向传播loss = criterion(output, target)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播optimizer.step()  # 更新参数# 记录当前 iteration 的损失iter_loss = loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)iter_indices.append(epoch * len(train_loader) + batch_idx + 1)# 统计准确率和损失running_loss += iter_loss_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 每100个批次打印一次训练信息if (batch_idx + 1) % 100 == 0:print(f'Epoch: {epoch+1}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')# 计算当前epoch的平均训练损失和准确率epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / totaltrain_acc_history.append(epoch_train_acc)train_loss_history.append(epoch_train_loss)# 测试阶段model.eval()  # 设置为评估模式test_loss = 0correct_test = 0total_test = 0with torch.no_grad():for data, target in test_loader:data, target = data.to(device), target.to(device)output = model(data)test_loss += criterion(output, target).item()_, predicted = output.max(1)total_test += target.size(0)correct_test += predicted.eq(target).sum().item()epoch_test_loss = test_loss / len(test_loader)epoch_test_acc = 100. * correct_test / total_testtest_acc_history.append(epoch_test_acc)test_loss_history.append(epoch_test_loss)# 更新学习率调度器scheduler.step(epoch_test_loss)print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs} 完成 | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 绘制所有 iteration 的损失曲线plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)# 绘制每个 epoch 的准确率和损失曲线plot_epoch_metrics(train_acc_history, test_acc_history, train_loss_history, test_loss_history)return epoch_test_acc  # 返回最终测试准确率# 6. 绘制每个 iteration 的损失曲线
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 7. 绘制每个 epoch 的准确率和损失曲线
def plot_epoch_metrics(train_acc, test_acc, train_loss, test_loss):epochs = range(1, len(train_acc) + 1)plt.figure(figsize=(12, 4))# 绘制准确率曲线plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(epochs, train_acc, 'b-', label='训练准确率')plt.plot(epochs, test_acc, 'r-', label='测试准确率')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('准确率 (%)')plt.title('训练和测试准确率')plt.legend()plt.grid(True)# 绘制损失曲线plt.subplot(1, 2, 2)plt.plot(epochs, train_loss, 'b-', label='训练损失')plt.plot(epochs, test_loss, 'r-', label='测试损失')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('损失值')plt.title('训练和测试损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 8. 执行训练和测试
epochs = 20  # 增加训练轮次以获得更好效果
print("开始使用CNN训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, scheduler, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")# # 保存模型
# torch.save(model.state_dict(), 'cifar10_cnn_model.pth')
# print("模型已保存为: cifar10_cnn_model.pth")