深度学习笔记_5 经典卷积神经网络LeNet-5 解决MNIST数据集

1、定义LeNet-5模型，包括卷积层和全连接层。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms# 导入必要的库# 定义 LeNet-5 模型
class LeNet5(nn.Module):def __init__(self):super(LeNet5, self).__init__()# 定义卷积层和全连接层self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5)  # 输入通道1，输出通道6，卷积核大小5x5self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5)  # 输入通道6，输出通道16，卷积核大小5x5self.fc1 = nn.Linear(16 * 4 * 4, 120)  # 全连接层，输入维度为16*4*4，输出维度为120self.fc2 = nn.Linear(120, 84)  # 全连接层，输入维度为120，输出维度为84self.fc3 = nn.Linear(84, 64)  # 全连接层，输入维度为84，输出维度为64self.fc4 = nn.Linear(64, 10)  # 全连接层，输入维度为64，输出维度为10def forward(self, x):x = torch.relu(self.conv1(x))  # 第一个卷积层后接ReLU激活函数x = torch.max_pool2d(x, 2)  # 池化层，执行2x2的最大池化x = torch.relu(self.conv2(x))  # 第二个卷积层后接ReLU激活函数x = torch.max_pool2d(x, 2)  # 池化层，执行2x2的最大池化x = x.view(-1, 16 * 4 * 4)  # 数据展平，以便输入全连接层x = torch.relu(self.fc1(x))  # 第一个全连接层后接ReLU激活函数x = torch.relu(self.fc2(x))  # 第二个全连接层后接ReLU激活函数x = self.fc3(x)  # 第三个全连接层return x

2、对MNIST数据集进行加载和预处理，包括将图像转换为张量和标准化。

# 加载 MNIST 训练集和测试集
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))])
# 定义数据预处理，包括转换为张量和标准化train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
# 下载MNIST数据集，并应用数据预处理train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)
# 创建训练和测试数据加载器

3、初始化模型和优化器，使用随机梯度下降（SGD）优化器。

# 初始化模型和优化器
model = LeNet5()  # 创建LeNet-5模型
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)  # 使用随机梯度下降作为优化器# 训练模型
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")  # 检查是否支持GPU，如果支持则使用GPU
model.to(device)  # 将模型移动到GPU或CPU
criterion = nn.CrossEntropyLoss()  # 使用交叉熵损失函数

4、在每个训练周期内，进行前向传播、反向传播和参数更新。在训练集上进行精度测试，以评估模型性能。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms# 导入必要的库# 定义 LeNet-5 模型
class LeNet5(nn.Module):def __init__(self):super(LeNet5, self).__init__()# 定义卷积层和全连接层self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5)  # 输入通道1，输出通道6，卷积核大小5x5self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5)  # 输入通道6，输出通道16，卷积核大小5x5self.fc1 = nn.Linear(16 * 4 * 4, 120)  # 全连接层，输入维度为16*4*4，输出维度为120self.fc2 = nn.Linear(120, 84)  # 全连接层，输入维度为120，输出维度为84self.fc3 = nn.Linear(84, 64)  # 全连接层，输入维度为84，输出维度为64self.fc4 = nn.Linear(64, 10)  # 全连接层，输入维度为64，输出维度为10def forward(self, x):x = torch.relu(self.conv1(x))  # 第一个卷积层后接ReLU激活函数x = torch.max_pool2d(x, 2)  # 池化层，执行2x2的最大池化x = torch.relu(self.conv2(x))  # 第二个卷积层后接ReLU激活函数x = torch.max_pool2d(x, 2)  # 池化层，执行2x2的最大池化x = x.view(-1, 16 * 4 * 4)  # 数据展平，以便输入全连接层x = torch.relu(self.fc1(x))  # 第一个全连接层后接ReLU激活函数x = torch.relu(self.fc2(x))  # 第二个全连接层后接ReLU激活函数x = self.fc3(x)  # 第三个全连接层return x# 加载 MNIST 训练集和测试集
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))])
# 定义数据预处理，包括转换为张量和标准化train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
# 下载MNIST数据集，并应用数据预处理train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)
# 创建训练和测试数据加载器# 初始化模型和优化器
model = LeNet5()  # 创建LeNet-5模型
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)  # 使用随机梯度下降作为优化器# 训练模型
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")  # 检查是否支持GPU，如果支持则使用GPU
model.to(device)  # 将模型移动到GPU或CPU
criterion = nn.CrossEntropyLoss()  # 使用交叉熵损失函数for epoch in range(10):model.train()  # 设置模型为训练模式running_loss = 0.0for images, labels in train_loader:images, labels = images.to(device), labels.to(device)  # 将数据移动到GPU或CPUoptimizer.zero_grad()  # 梯度清零outputs = model(images)  # 前向传播loss = criterion(outputs, labels)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播optimizer.step()  # 更新模型参数running_loss += loss.item()# 在训练集上进行精度测试model.eval()  # 设置模型为评估模式correct = 0total = 0with torch.no_grad():for images, labels in test_loader:images, labels = images.to(device), labels.to(device)  # 将数据移动到GPU或CPUoutputs = model(images)  # 前向传播_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)  # 获取预测类别total += labels.size(0)correct += (predicted == labels).sum().item()accuracy = 100 * correct / totalprint('Epoch: %d, Loss: %.3f, Accuracy: %.2f%%' % (epoch+1, running_loss, accuracy))

5、实验步骤和关键要点：

1. 模型定义：LeNet-5模型被定义为一个经典的卷积神经网络，包括卷积层和全连接层。模型结构包括两个卷积层、两个池化层和三个全连接层。

2. 数据加载和预处理：MNIST数据集被加载并进行预处理。预处理包括将图像转换为张量，并进行标准化，以确保输入数据在训练期间具有相似的尺度和分布。

3. 初始化模型和优化器：LeNet-5模型被初始化，并使用随机梯度下降（SGD）作为优化器。SGD用于在训练期间调整模型参数以最小化损失函数。

4. 模型训练：模型被训练在训练集上进行了多个周期的训练。对于每个训练周期，执行以下步骤：

   • 设置模型为训练模式。
   • 对每个批次进行前向传播，计算损失，执行反向传播，更新模型参数。
   • 记录每个训练周期的损失值。

5. 模型测试：在每个训练周期结束后，模型在测试集上进行了精度测试。在测试期间，执行以下步骤：

   • 设置模型为评估模式。
   • 通过模型进行前向传播，计算测试集上的预测结果。
   • 检查模型的准确性，计算正确分类的样本数量，并计算总样本数量。
   • 记录每个训练周期的测试精度。

6. 打印结果：在每个训练周期结束后，打印出训练周期的损失和测试精度，以便监控模型的性能。

这个实验展示了如何使用PyTorch框架构建、训练和测试深度学习模型。LeNet-5模型在MNIST数据集上取得了不错的手写数字识别性能。通过多个训练周期，模型的损失逐渐减小，测试精度逐渐增加，表明模型在训练过程中逐渐学习到了有效的特征表示，从而提高了在新样本上的分类准确性。