CNN经典网络模型（一）：LeNet简介及代码实现（PyTorch超详细注释版）

CNN经典网络模型之一：LeNet，本文包含其简介及代码，在PyTorch中实现，进行超详细注释，适合新生小白阅读学习~

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华科附小第一名

7824人浏览 · 2022-10-01 10:15:05

华科附小第一名 · 2022-10-01 10:15:05 发布

一、开发背景

Lenet 是一系列网络的合称，包括 Lenet1 - Lenet5，由 Yann LeCun 等人在1990年《Handwritten Digit Recognition with a Back-Propagation Network》中提出，是卷积神经网络的开山之作，也是将深度学习推向繁荣的一座里程碑。

LeNet首次采用了卷积层、池化层这两个全新的神经网络组件，接收灰度图像，并输出其中包含的手写数字，在手写字符识别任务上取得了瞩目的准确率。LeNet网络的一系列的版本，以LeNet-5版本最为著名，也是LeNet系列中效果最佳的版本。

二、网络结构

Lenet是一个 7 层的神经网络，包含 3 个卷积层，2 个池化层，1 个全连接层，1个输出层。其中所有卷积层的卷积核都为 5x5，步长=1，池化方法都为平均池化，激活函数为 Sigmoid（目前使用的Lenet已改为ReLu），网络结构如下：

网络结构详解：深度学习经典网络解析图像分类篇（一）：LeNet-5

三、模型特点

首次提出卷积神经网络基本框架：卷积层，池化层，全连接层；
卷积层的权重共享，相较于全连接层使用更少参数，节省了计算量与内存空间；
卷积层的局部连接，保证图像的空间相关性；
使用映射到空间均值下采样，减少特征数量；
使用双曲线（tanh）或S型（sigmoid）形式的非线性激活函数。

四、代码实现

model.py：定义LeNet网络模型
train.py：加载数据集并训练，计算loss和accuracy，保存训练好的网络参数
predict.py：用自己的数据集进行分类测试

1. model.py

# 导入pytorch库
import torch
# 导入torch.nn模块
from torch import nn


# 定义LeNet网络模型
# MyLeNet5（子类）继承nn.Module（父类）
class MyLeNet5(nn.Module):
    # 子类继承中重新定义Module类的__init__()和forward()函数
    # init()函数：进行初始化，申明模型中各层的定义
    def __init__(self):
        # super：引入父类的初始化方法给子类进行初始化
        super(MyLeNet5, self).__init__()
        # 卷积层，输入大小为28*28，输出大小为28*28，输入通道为1，输出为6，卷积核为5，扩充边缘为2
        self.c1 = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2)
        # 使用sigmoid作为激活函数
        self.Sigmoid = nn.Sigmoid()
        # AvgPool2d：二维平均池化操作
        # 池化层，输入大小为28*28，输出大小为14*14，输入通道为6，输出为6，卷积核为2，步长为2
        self.s2 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 卷积层，输入大小为14*14，输出大小为10*10，输入通道为6，输出为16，卷积核为5
        self.c3 = nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5)
        # 池化层，输入大小为10*10，输出大小为5*5，输入通道为16，输出为16，卷积核为2，步长为2
        self.s4 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        # 卷积层，输入大小为5*5，输出大小为1*1，输入通道为16，输出为120，卷积核为5
        self.c5 = nn.Conv2d(in_channels=16, out_channels=120, kernel_size=5)
        # Flatten()：将张量（多维数组）平坦化处理，张量的第0维表示的是batch_size（数量），所以Flatten()默认从第二维开始平坦化
        self.flatten = nn.Flatten()
        # 全连接层
        # Linear（in_features，out_features）
        # in_features指的是[batch_size, size]中的size,即样本的大小
        # out_features指的是[batch_size，output_size]中的output_size，样本输出的维度大小，也代表了该全连接层的神经元个数
        self.f6 = nn.Linear(120, 84)
        # 全连接层&输出层
        self.output = nn.Linear(84, 10)

    # forward()：定义前向传播过程,描述了各层之间的连接关系
    def forward(self, x):
        # x输入为28*28*1， 输出为28*28*6
        x = self.Sigmoid(self.c1(x))
        # x输入为28*28*6，输出为14*14*6
        x = self.s2(x)
        # x输入为14*14*6，输出为10*10*16
        x = self.Sigmoid(self.c3(x))
        # x输入为10*10*16，输出为5*5*16
        x = self.s4(x)
        # x输入为5*5*16，输出为1*1*120
        x = self.c5(x)
        x = self.flatten(x)
        # x输入为120，输出为84
        x = self.f6(x)
        # x输入为84，输出为10
        x = self.output(x)
        return x

# 测试代码
# 每个python模块（python文件）都包含内置的变量 __name__，当该模块被直接执行的时候，__name__ 等于文件名（包含后缀 .py ）
# 如果该模块 import 到其他模块中，则该模块的 __name__ 等于模块名称（不包含后缀.py）
# “__main__” 始终指当前执行模块的名称（包含后缀.py）
# if确保只有单独运行该模块时，此表达式才成立，才可以进入此判断语法，执行其中的测试代码，反之不行
if __name__ == "__main__":
    # rand:返回一个张量，包含了从区间[0, 1)的均匀分布中抽取的一组随机数，此处为四维张量
    x = torch.rand([1, 1, 28, 28])
    # 模型实例化
    model = MyLeNet5()
    y = model(x)

2. train.py

import torch
from torch import nn
from model import MyLeNet5
# lr_scheduler：提供一些根据epoch训练次数来调整学习率的方法
from torch.optim import lr_scheduler
# torchvision：PyTorch的一个图形库，服务于PyTorch深度学习框架的，主要用来构建计算机视觉模型
# transforms：主要是用于常见的一些图形变换
# datasets：包含加载数据的函数及常用的数据集接口
from torchvision import datasets, transforms
# os：operating system（操作系统），os模块封装了常见的文件和目录操作
import os

# 数据转化为Tensor格式
# Compose()：将多个transforms的操作整合在一起
# ToTensor(): 将numpy的ndarray或PIL.Image读的图片转换成形状为(C,H, W)的Tensor格式，且归一化到[0,1.0]之间
data_transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor()
])

# 加载训练数据集
# MNIST数据集来自美国国家标准与技术研究所, 训练集 (training set)、测试集(test set)由分别由来自250个不同人手写的数字构成
# MNIST数据集包含：Training set images、Training set images、Test set images、Test set labels
# train = true是训练集，false为测试集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, transform=data_transform, download=True)
# DataLoader：将读取的数据按照batch size大小封装并行训练
# dataset (Dataset)：加载的数据集
# batch_size (int, optional)：每个batch加载多少个样本(默认: 1)
# shuffle (bool, optional)：设置为True时会在每个epoch重新打乱数据(默认: False)
train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=16, shuffle=True)
# 加载测试数据集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, transform=data_transform, download=True)
test_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

# 如果有NVIDA显卡，转到GPU训练，否则用CPU
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'

# 模型实例化，将模型转到device
model = MyLeNet5().to(device)

# 定义损失函数（交叉熵损失）
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

# 定义优化器(随机梯度下降法)
# params(iterable)：要训练的参数，一般传入的是model.parameters()
# lr(float)：learning_rate学习率，也就是步长
# momentum(float, 可选)：动量因子（默认：0），矫正优化率
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3, momentum=0.9)

# 学习率，每隔10轮变为原来的0.1
# StepLR：用于调整学习率，一般情况下会设置随着epoch的增大而逐渐减小学习率从而达到更好的训练效果
# optimizer （Optimizer）：需要更改学习率的优化器
# step_size（int）：每训练step_size个epoch，更新一次参数
# gamma（float）：更新lr的乘法因子
lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.1)


# 定义训练函数
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    loss, current, n = 0.0, 0.0, 0
    # dataloader: 传入数据（数据包括：训练数据和标签）
    # enumerate()：用于将一个可遍历的数据对象(如列表、元组或字符串)组合为一个索引序列，一般用在for循环当中
    # enumerate返回值有两个：一个是序号，一个是数据（包含训练数据和标签）
    # x：训练数据（inputs）(tensor类型的），y：标签（labels）(tensor类型的）
    for batch, (x, y) in enumerate(dataloader):
        # 前向传播
        x, y = x.to(device), y.to(device)
        # 计算训练值
        output = model(x)
        # 计算观测值（label）与训练值的损失函数
        cur_loss = loss_fn(output, y)
        # torch.max(input, dim)函数
        # input是具体的tensor，dim是max函数索引的维度，0是每列的最大值，1是每行的最大值输出
        # 函数会返回两个tensor，第一个tensor是每行的最大值；第二个tensor是每行最大值的索引
        _, pred = torch.max(output, axis=1)
        # 计算每批次的准确率
        # output.shape[0]一维长度为该批次的数量
        # torch.sum()对输入的tensor数据的某一维度求和
        cur_acc = torch.sum(y == pred) / output.shape[0]

        # 反向传播
        # 清空过往梯度
        optimizer.zero_grad()
        # 反向传播，计算当前梯度
        cur_loss.backward()
        # 根据梯度更新网络参数
        optimizer.step()
        # .item()：得到元素张量的元素值
        loss += cur_loss.item()
        current += cur_acc.item()
        n = n + 1

    train_loss = loss / n
    train_acc = current / n
    # 计算训练的错误率
    print('train_loss' + str(train_loss))
    # 计算训练的准确率
    print('train_acc' + str(train_acc))


# 定义验证函数
def val(dataloader, model, loss_fn):
    # model.eval()：设置为验证模式，如果模型中有Batch Normalization或Dropout，则不启用，以防改变权值
    model.eval()
    loss, current, n = 0.0, 0.0, 0
    # with torch.no_grad()：将with语句包裹起来的部分停止梯度的更新，从而节省了GPU算力和显存，但是并不会影响dropout和BN层的行为
    with torch.no_grad():
        for batch, (x, y) in enumerate(dataloader):
            # 前向传播
            x, y = x.to(device), y.to(device)
            output = model(x)
            cur_loss = loss_fn(output, y)
            _, pred = torch.max(output, axis=1)
            cur_acc = torch.sum(y == pred) / output.shape[0]
            loss += cur_loss.item()
            current += cur_acc.item()
            n = n + 1
        # 计算验证的错误率
        print("val_loss：" + str(loss / n))
        # 计算验证的准确率
        print("val_acc：" + str(current / n))
        # 返回模型准确率
        return current / n


# 开始训练
# 训练次数
epoch = 10
# 用于判断最佳模型
min_acc = 0
for t in range(epoch):
    print(f'epoch {t + 1}\n---------------')
    # 训练模型
    train(train_dataloader, model, loss_fn, optimizer)
    # 验证模型
    a = val(test_dataloader, model, loss_fn)
    # 保存最好的模型权重
    if a > min_acc:
        folder = 'save_model'
        # path.exists：判断括号里的文件是否存在，存在为True，括号内可以是文件路径
        if not os.path.exists(folder):
            # os.mkdir() ：用于以数字权限模式创建目录
            os.mkdir('save_model')
        min_acc = a
        print('save best model')
        # torch.save(state, dir)保存模型等相关参数，dir表示保存文件的路径+保存文件名
        # model.state_dict()：返回的是一个OrderedDict，存储了网络结构的名字和对应的参数
        torch.save(model.state_dict(), 'save_model/best_model.pth')
print('Done!')

3. predict.py

import torch
from model import MyLeNet5
from torch.autograd import Variable
from torchvision import datasets, transforms
from torchvision.transforms import ToPILImage

# Compose()：将多个transforms的操作整合在一起
data_transform = transforms.Compose([
    # ToTensor()：数据转化为Tensor格式
    transforms.ToTensor()
])

# 加载训练数据集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, transform=data_transform, download=True)
# 给训练集创建一个数据加载器, shuffle=True用于打乱数据集，每次都会以不同的顺序返回
train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

# 加载测试数据集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, transform=data_transform, download=True)
test_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=16, shuffle=True)

# 如果有NVIDA显卡，转到GPU训练，否则用CPU
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'

# 模型实例化，将模型转到device
model = MyLeNet5().to(device)

# 加载train.py里训练好的模型
model.load_state_dict(torch.load("D:/pycharm/file/save_model/best_model.pth"))

# 结果类型
classes = [
    "0",
    "1",
    "2",
    "3",
    "4",
    "5",
    "6",
    "7",
    "8",
    "9",
]

# 把Tensor转化为图片，方便可视化
show = ToPILImage()

# 进入验证阶段
for i in range(10):
    x, y = test_dataset[i][0], test_dataset[i][1]
    # show()：显示图片
    show(x).show()
    # unsqueeze(input, dim)，input(Tensor)：输入张量，dim (int)：插入维度的索引，最终将张量维度扩展为4维
    x = Variable(torch.unsqueeze(x, dim=0).float(), requires_grad=False).to(device)
    with torch.no_grad():
        pred = model(x)
        # argmax(input)：返回指定维度最大值的序号
        # 得到验证类别中数值最高的那一类，再对应classes中的那一类
        predicted, actual = classes[torch.argmax(pred[0])], classes[y]
        # 输出预测值与真实值
        print(f'predicted: "{predicted}", actual:"{actual}"')