神经网络识别数字图像案例

学习资料：从零设计并训练一个神经网络，你就能真正理解它了_哔哩哔哩_bilibili

这个视频讲得相当清楚。本文是学习笔记，不是原创，图都是从视频上截图的。

1. 神经网络

2. 案例说明

具体来说，设计一个三层的神经网络。以数字图像作为输入，经过神经网络的计算，识别出图像中的数字是几，从而实现数字图像的分类。

3. 视频讲解内容的提纲

4. 神经网络的设计和实现

我们要处理的数据是28*28像素的灰色通道图像。

这样的灰色图像包括了28*28=784个数据点。需要先将他展平为1*784大小的向量。然后将这个向量输入到神经网络中。

用一个三层神经网络处理图片对应的向量X。输入成需要接收784维的图片向量X。X里面每个维度的数据都有一个神经元来接收。因此输入层要包含784个神经元。

隐藏成用于特征提取特征向量，将输入的特征向量处理成更高级的特征向量。

因为手写数字图像识别并不复杂，所以将隐藏层的神经元个数设置为256。这样，输入层和隐藏层之间就会有个784*256的线性层。它可以将一个784维的输入向量转换为256维的输出向量。

该输出向量会继续向前传播到达输出层。

由于最终要将数字图像识别为0~9，十种可能的数字。因此，输出层需要定义10个神经元，对应这十种数字。

256维的向量在经过隐藏层和输出层之间的线性层计算后，就得到了10维的输出结果。这个10维的向量就代表了10个数字的预测得分。

为了继续得到输出层的预测概率，还要将输出层的输出输入到softmax层。softmax层会将10维的向量转换为10个概率值p0~p9。p0~p9相加的总和等于1.

5. 神经网络的Pytorch实现

import torch
from torch import nn# 定义神经网络Network
class Network(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()# 线性层1，输入层和隐藏层之间的线性层self.layer1 = nn.Linear(784, 258)# 线性层2，隐藏层和输出层之间的线性层self.layer2 = nn.Linear(256, 10)# 在前向传播，forward函数中，输入为图像xdef forward(self, x):x = x.view(-1, 28 * 28) # 使用view函数，将x展平x = self.layer1(x) # 将x输入到layer1x = torch.relu(x) # 使用relu激活return self.layer2(x) # 输入至layer2计算结果# 这里没有直接定义softmax层，因为后面会使用CrossEntropyLoss损失函数# 在这个损失函数中，会实现softmax的计算

6. 训练数据的准备和处理

from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
from torch.utils.data import DataLoader# 初学只要知道大致的数据处理流程即可
if __name__ == '__main__'# 实现图像的预处理pipelinetransform = trnasforms.Compose([# 转换成单通道灰度图transforms.Grayscale(num_output_channels=1),# 转换为张量transforms.ToTensor()])# 使用ImageFolder函数，读取数据文件夹，构建数据集dataset# 这个函数会将保持数据的文件夹的名字，作为数据的标签，组织数据train_dataset = datasets.ImageFolder(root='./mnist_images/train', transform=transform)test_dataset = datasets.ImageFolder(root='./mnist_images/test', transform=transform)# 打印他们的长度print("train_dataset length: ", len(train_dataset))print("test_dataset length: ", len(test_dataset))# 使用train_loader, 实现小批量的数据读取# 这里设置小批量的大小，batch_size=64. 也就是每个批次，包括64个数据train_loader = DataLoader(train_datase, batch_size=64, shuffle=True)# 打印train_loader的长度print("train_loader length: ", len(train_loader))# 6000个训练数据，如果每个小批量，读入64个样本，那么60000个数据会被分成938组# 938*64=60032，说明最后一组不够64个数据# 循环遍历train_loader# 每一次循环，都会取出64个图像数据，作为一个小批量batchfor batch_idx, (data, label) in enumerate(train_loader)if batch_idx == 3:breakprint("batch_idx: ", batch_idx)print("data.shape: ", data.shape) # 数据的尺寸print("label: ", label.shape) # 图像中的数字print(label)

7. 模型的训练和测试

import torch
from torch import nn
from torch import optim
from model import Network
from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
from torch.utils.data import DataLoaderif __name__ == '__main__'# 图像的预处理transform = transforms.Compose([transforms.Grayscale(num_output_channels=1),transforms.ToTensor()])# 读入并构造数据集train_dataset = datasets.ImageFolder(root='./mnist_images/train', transform=transform)print("train_dataset length: ", len(train_dataset))# 小批量的数据读入train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)print("train_loader length: ", len(train_loader))# 在使用Pytorch训练模型时，需要创建三个对象：model = Network() # 1.模型本身，就是我们设计的神经网络optimizer = optim.Adam(model.parameters()) #2.优化器，优化模型中的参数criterion = nn.CrossEntropyLoss() #3.损失函数，分类问题，使用交叉熵损失误差# 进入模型的循环迭代# 外层循环，代表了整个训练数据集的遍历次数for epoch in range(10):# 内层循环使用train_loader, 进行小批量的数据读取for batch_idx, (data, label) in enumerate(train_loader):# 内层每循环一次，就会进行一次梯度下降算法# 包括了5个步骤# 这5个步骤是使用pytorch框架训练模型的定式，初学时先记住即可# 1. 计算神经网络的前向传播结果output = model(data)# 2. 计算output和标签label之间的损失lossloss = criterion(output, label)# 3. 使用backward计算梯度loss.backward()# 4. 使用optimizer.step更新参数optimizer.step()# 5.将梯度清零optimizer.zero_grad()if batch_idx % 100 == 0:print(f"Epoch {epoch + 1}/10"f"| Batch {batch_idx}/{len(train_loader)}"f"| Loss: {loss.item():.4f}")torch.save(model.state_dict(), 'mnist.pth')

from model import Network
from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
import torchif __name__ == '__main__'transform = transforms.Compose([transforms.Grayscale(num_output_channels=1),transforms.ToTensor()])# 读取测试数据集test_dataset = datasets.ImageFolder(root='./mnist_images/test', transform=transform)print("test_dataset length: ", len(test_dataset))model = Network() # 定义神经网络模型model.load_state_dict(torch.load('mnist.pth')) # 加载刚刚训练好的模型文件rigth = 0 # 保存正确识别的数量for i, (x, y) in enumerate(test_dataset):output = model(x) # 将其中的数据x输入到模型predict = output.argmax(1).item() # 选择概率最大标签的作为预测结果# 对比预测值predict和真实标签yif predict == y:right += 1else:# 将识别错误的样例打印出来img_path = test_dataset.samples[i][0]print(f"wrong case: predict = {predict} y = {y} img_path = {img_path}")# 计算出测试效果sample_num = len(test_dataset)acc = right * 1.0 / sample_numprint("test accuracy = %d / %d = %.3lf" % (right, sample_num, acc))