🏡 我的环境：使用01中创建的虚拟环境mnist

• 虚拟环境：mnist

Python 3.10.19

Name: torch, Version: 2.10.0+cu130

Name: torchvision,Version: 0.25.0+cu130

• 编译器：Positron
• 深度学习环境：Pytorch

它的完整流程是：

• 导入库与选择设备
• 读取数据与类别名
• 图像预处理
• 构建数据集和 DataLoader
• 定义卷积神经网络
• 定义训练与测试流程
• 学习率调整
• 开始训练
• 绘图看结果
• 单张图片预测

一、 前期准备

1. 设置GPU

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision
from torchvision import transforms, datasets

import os,PIL,pathlib

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

device

2. 导入数据

注意此处的数据需要自行下载，里面为两种运动品牌的鞋子

import os,PIL,random,pathlib

data_dir = './46-data/'
data_dir = pathlib.Path(data_dir)

data_paths  = list(data_dir.glob('*'))
classeNames = [str(path).split("\\")[1] for path in data_paths]
classeNames

图像预处理流程

# 关于transforms.Compose的更多介绍可以参考：https://blog.csdn.net/qq_38251616/article/details/124878863
train_transforms = transforms.Compose([
    transforms.Resize([224, 224]),  # 将输入图片resize成统一尺寸
    # transforms.RandomHorizontalFlip(), # 随机水平翻转
    transforms.ToTensor(),          # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor，并归一化到[0,1]之间
    transforms.Normalize(           # 标准化处理-->转换为标准正太分布（高斯分布），使模型更容易收敛
        mean=[0.485, 0.456, 0.406], 
        std=[0.229, 0.224, 0.225])  # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。
])

test_transform = transforms.Compose([
    transforms.Resize([224, 224]),  # 将输入图片resize成统一尺寸
    transforms.ToTensor(),          # 将PIL Image或numpy.ndarray转换为tensor，并归一化到[0,1]之间
    transforms.Normalize(           # 标准化处理-->转换为标准正太分布（高斯分布），使模型更容易收敛
        mean=[0.485, 0.456, 0.406], 
        std=[0.229, 0.224, 0.225])  # 其中 mean=[0.485,0.456,0.406]与std=[0.229,0.224,0.225] 从数据集中随机抽样计算得到的。
])

train_dataset = datasets.ImageFolder("./46-data/train/",transform=train_transforms)
test_dataset  = datasets.ImageFolder("./46-data/test/",transform=test_transform)

把训练集和测试集图片读进来，并统一做缩放、转张量、标准化处理，方便后面送进神经网络训练和测试。

batch_size = 32

train_dl = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,
                                           batch_size=batch_size,
                                           shuffle=True,
                                           num_workers=1)
test_dl = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset,
                                          batch_size=batch_size,
                                          shuffle=True,
                                          num_workers=1)

同前面的分析

• 按批次读取数据
• 自动打乱顺序
• 并行加载数据
• 每次给模型一小批数据

for X, y in test_dl:
    print("Shape of X [N, C, H, W]: ", X.shape)
    print("Shape of y: ", y.shape, y.dtype)
    break

简单查看一下batch的属性

各维含义：

• N：样本数，32
• C：通道数，3
• H：高度，224
• W：宽度，224

二、构建简单的CNN网络

import torch.nn.functional as F

class Model(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        self.conv1=nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 12, kernel_size=5, padding=0), # 12*220*220
            nn.BatchNorm2d(12),
            nn.ReLU())
        
        self.conv2=nn.Sequential(
            nn.Conv2d(12, 12, kernel_size=5, padding=0), # 12*216*216
            nn.BatchNorm2d(12),
            nn.ReLU())
        
        self.pool3=nn.Sequential(
            nn.MaxPool2d(2))                              # 12*108*108
        
        self.conv4=nn.Sequential(
            nn.Conv2d(12, 24, kernel_size=5, padding=0), # 24*104*104
            nn.BatchNorm2d(24),
            nn.ReLU())
        
        self.conv5=nn.Sequential(
            nn.Conv2d(24, 24, kernel_size=5, padding=0), # 24*100*100
            nn.BatchNorm2d(24),
            nn.ReLU())
        
        self.pool6=nn.Sequential(
            nn.MaxPool2d(2))                              # 24*50*50

        self.dropout = nn.Sequential(
            nn.Dropout(0.2))
        
        self.fc=nn.Sequential(
            nn.Linear(24*50*50, len(classeNames)))
        
    def forward(self, x):
        
        batch_size = x.size(0)
        x = self.conv1(x)  # 卷积-BN-激活
        x = self.conv2(x)  # 卷积-BN-激活
        x = self.pool3(x)  # 池化
        x = self.conv4(x)  # 卷积-BN-激活
        x = self.conv5(x)  # 卷积-BN-激活
        x = self.pool6(x)  # 池化
        x = self.dropout(x)
        x = x.view(batch_size, -1)  # flatten 变成全连接网络需要的输入 (batch, 24*50*50) ==> (batch, -1), -1 此处自动算出的是24*50*50
        x = self.fc(x)
       
        return x

device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print("Using {} device".format(device))

model = Model().to(device)
model

你定义了一个自己的神经网络类 Model，继承自 nn.Module。

三、 训练模型

1. 编写训练函数

# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)  # 训练集的大小
    num_batches = len(dataloader)   # 批次数目, (size/batch_size，向上取整)

    train_loss, train_acc = 0, 0  # 初始化训练损失和正确率
    
    for X, y in dataloader:  # 获取图片及其标签
        X, y = X.to(device), y.to(device)
        
        # 计算预测误差
        pred = model(X)          # 网络输出
        loss = loss_fn(pred, y)  # 计算网络输出和真实值之间的差距，targets为真实值，计算二者差值即为损失
        
        # 反向传播
        optimizer.zero_grad()  # grad属性归零
        loss.backward()        # 反向传播
        optimizer.step()       # 每一步自动更新
        
        # 记录acc与loss
        train_acc  += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
        train_loss += loss.item()
            
    train_acc  /= size
    train_loss /= num_batches

    return train_acc, train_loss

整体逻辑

训练一个 epoch 的流程：

1. 从 dataloader 取一个 batch
2. 把数据放到设备上
3. 前向传播得到预测值
4. 计算损失
5. 梯度清零
6. 反向传播
7. 更新参数
8. 统计损失和准确率

2. 编写测试函数

def test (dataloader, model, loss_fn):
    size        = len(dataloader.dataset)  # 测试集的大小
    num_batches = len(dataloader)          # 批次数目, (size/batch_size，向上取整)
    test_loss, test_acc = 0, 0
    
    # 当不进行训练时，停止梯度更新，节省计算内存消耗
    with torch.no_grad():
        for imgs, target in dataloader:
            imgs, target = imgs.to(device), target.to(device)
            
            # 计算loss
            target_pred = model(imgs)
            loss        = loss_fn(target_pred, target)
            
            test_loss += loss.item()
            test_acc  += (target_pred.argmax(1) == target).type(torch.float).sum().item()

    test_acc  /= size
    test_loss /= num_batches

    return test_acc, test_loss

训练函数最大的区别

没有这三步：

optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()

3. 设置动态学习率

def adjust_learning_rate(optimizer, epoch, start_lr):
    # 每 2 个epoch衰减到原来的 0.92
    lr = start_lr * (0.92 ** (epoch // 2))
    for param_group in optimizer.param_groups:
        param_group['lr'] = lr

learn_rate = 1e-4 # 初始学习率
optimizer  = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learn_rate)

学习率决定每次参数更新的步子有多大。

• 太大：训练可能震荡、不收敛
• 太小：训练太慢

lr = start_lr * (0.92 ** (epoch // 2))

表示：

• 每经过 2 个 epoch
• 学习率乘以 0.92

4. 正式训练

loss_fn    = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数
epochs     = 40

train_loss = []
train_acc  = []
test_loss  = []
test_acc   = []

for epoch in range(epochs):
    # 更新学习率（使用自定义学习率时使用）
    adjust_learning_rate(optimizer, epoch, learn_rate)
    
    model.train()
    epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(train_dl, model, loss_fn, optimizer)
    # scheduler.step() # 更新学习率（调用官方动态学习率接口时使用）
    
    model.eval()
    epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(test_dl, model, loss_fn)
    
    train_acc.append(epoch_train_acc)
    train_loss.append(epoch_train_loss)
    test_acc.append(epoch_test_acc)
    test_loss.append(epoch_test_loss)
    
    # 获取当前的学习率
    lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']
    
    template = ('Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, Test_acc:{:.1f}%, Test_loss:{:.3f}, Lr:{:.2E}')
    print(template.format(epoch+1, epoch_train_acc*100, epoch_train_loss, 
                          epoch_test_acc*100, epoch_test_loss, lr))
print('Done')

四、 结果可视化

1. Loss与Accuracy图

import matplotlib.pyplot as plt
#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")               #忽略警告信息
plt.rcParams['font.sans-serif']    = ['SimHei'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False      # 用来正常显示负号
plt.rcParams['figure.dpi']         = 100        #分辨率

from datetime import datetime
current_time = datetime.now() # 获取当前时间

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, train_acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, test_acc, label='Test Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.xlabel(current_time) # 打卡请带上时间戳，否则代码截图无效

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, test_loss, label='Test Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

2. 指定图片进行预测

from PIL import Image 

classes = list(train_dataset.class_to_idx)

def predict_one_image(image_path, model, transform, classes):
    
    test_img = Image.open(image_path).convert('RGB')
    # plt.imshow(test_img)  # 展示预测的图片

    test_img = transform(test_img)
    img = test_img.to(device).unsqueeze(0)
    
    model.eval()
    output = model(img)

    _,pred = torch.max(output,1)
    pred_class = classes[pred]
    print(f'预测结果是：{pred_class}')
    

• 读取一张图片
• 转成 RGB
• 做和训练时一致的预处理
• 加一个 batch 维度
• 输入模型
• 取最大分数对应的类别
• 打印类别名

# 预测训练集中的某张照片
predict_one_image(image_path='./46-data/test/adidas/5.jpg', 
                  model=model, 
                  transform=train_transforms, 
                  classes=classes)

五、保存并加载模型

# 模型保存
PATH = './model.pth'  # 保存的参数文件名
torch.save(model.state_dict(), PATH)

# 将参数加载到model当中
model.load_state_dict(torch.load(PATH, map_location=device))

总结

1. 准备数据

路径

类别

transforms

2. 创建数据集和 DataLoader

• ImageFolder
• DataLoader

3. 定义模型

卷积层

池化层

全连接层

4. 定义损失函数和优化器

CrossEntropyLoss

SGD/Adam

5. 训练循环

前向传播

算损失

反向传播

更新参数

6. 验证/测试

model.eval()

torch.no_grad()

7. 画图

acc 曲线

loss 曲线

8. 单张图片预测

读图

预处理

推理

输出类别

9. 保存/加载模型

torch.save

load_state_dict