【pytorch】pytorch學習筆記（一）

原文地址：https://pytorch.org/tutorials/beginner/deep_learning_60min_blitz.html

 什么是pytorch？

　　pytorch是一個基於python語言的的科學計算包，主要分為兩種受眾：

• 能夠使用GPU運算取代NumPy
• 提供最大靈活度和速度的深度學習研究平台

開始

Tensors

　　Tensors與numpy的ndarray相似，且Tensors能使用GPU進行加速計算。

　　

　　創建5 * 3的未初始化矩陣：

　　

　　創建並隨機初始化矩陣：

　　

　　創建一個類型為long且值全為0的矩陣：

　　

　　直接賦值創建tensor：

　　

　　使用已有的tensor創建一個tensor，這個方法能使用已有tensor的屬性如類型：

　　new_* 方法的參數是張量形狀大小

　　

　　重寫類型，結果具有相同的形狀大小

　　

　　獲取張量的尺寸大小：

　　

　　注：torch.Size實際上是一個元組，所以它支持所有的元組操作。

Operations（運算）

　　pytorch有多種運算的語法。在下列例子中，我們看一下加法運算：

　　加法1

　　

　　加法2:

　　

　　加法：提供一個輸出tensor作為參數

　　

　　加法：in-place （ 相當於+= ，將結果直接賦值到左側的變量）

　　

　　注：任何方法名中使用“_”的都是in-place操作，比如x.copy_(y)，x.t_()，都會使x的值發生改變。

　　同時，你也可以使用標准NumPy風格的索引操作：

　　

　　Resizing：如果你想要resize或reshape一個張量，可以使用方法 torch.view ：

　　

　　如果張量只有一個元素，可以使用.item()來獲取一個python數值

　　

NumPy Bridge

　　Torch的張量和NumPy數組的相互轉換，他們共享底層的內存位置，更改一個另一個也會改變。

　　張量轉換為NumPy數組：

　　

　　當張量的值改變時，numpy數組的值也同時改變：

　　

　　Numpy數組轉換為張量：

　　

　　除了字符張量，所有在CPU上的張量都能與NumPy數組相互轉換。

CUDA Tensors

　　張量能夠被轉移到任何設備通過使用 .to 方法。

　　

AUTOGRAD: AUTOMATIC DIFFERENTIATION

　　autograd包在pytorch中是所有神經網絡的核心，我們先看一下然后將會訓練自己的神經網絡。

　　autograd包給所有張量運算提供了自動微分。他是一個運行定義框架（define-by-run framework），意為着被你的代碼如何運行所定義，每次的單個迭代都是不同的。

　　讓我們用簡單的術語和一些例子來看下：

Tensor

　　torch.Tensor是核心類。如果你設置了它的屬性 .requires_grad為True， 它就開始跟蹤所有的運算。當完成所有的計算可以通過 .backward() 然后就可以自動進行所有的梯度計算。該張量的所有梯度將會累加到.grad() 屬性。

　　通過調用 .detach() 方法可以停止一個張量對計算記錄的追蹤。

　　另一種阻止張量計算追蹤的方法是，將代碼塊寫入 with torch.no_grad(): ，這在訓練中評價測試一個模型的時候尤其有用，因為我們設置了requires_grad =True，而此時並不需要梯度。

　　自動微分的另一個重要實現是類Function。

　　Tensor和Function是相互聯系的並建立了一個非循環圖，記錄了計算的完整歷史。每個張量有.grad_fn屬性，這個屬性與創建張量的Function相關聯（除了用戶自己創建張量，該屬性grad_fn is None）

　　如果你想要計算導數，你可以調用張量的.backward()方法，如果張量是一個標量，如只有一個元素的數據，則backward()不需要指定任何參數；如果其有更多參數，則需要指定一個具有匹配張量大小的gradient參數。

　　創建一個張量並設置 requires_grad = True來追蹤計算：

　　

　　張量運算：

　　

　　y是作為運算的結果所創建的，所以它有屬性 grad_fn。

　　

　　y的更多運算：

　　

　　.require_grad_()方法可以改變張量requires_grad的值，如果沒指定的話，默認值為False。

　　

　　

Gradients

　　開始反向傳播。因為 out 包含一個單一的標量，out.backward() 相當於 out.backward((torch.tensor(1.))) 。 　

　　打印梯度d(out)/dx：

x = [ [1, 1], [1, 1] ]

y = x + 2

 z =  y * y * 3

out = z.mean

d(out)/dx = 3/2(x + 2)

 

　　

　　

　　

　　當.requires_grad=True 時，你也可以通過寫入代碼塊with torch.no_grad()停止追蹤歷史和自動微分：

　　

NEURAL NETWORKS

　　torch.nn可以創建神經網絡，nn依賴於 autograd 來定義模型和微分。nn.Moudle包括各種層和返回output的方法forward(input)。

　　例如，以下為對數字圖片進行分類的網絡：

　　

　　一個簡單的前饋網絡，獲得輸入並經過一個個網絡層，最終得到輸出。

　　以下是一個神經網絡的訓練步驟：

• 定義一個具有可學習參數或權重的神經網絡；
• 對一個數據集的輸入進行迭代；
• 通過網絡處理輸入；
• 計算損失
• 將梯度反向傳播給網絡參數
• 更新網絡參數，通常的更新方法為 weight = weight - learning_rate* gradien

Define the network

#encoding:utf-8
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
 
class Net(nn.Module):
 
    def __init__(self):
        super(Net,self).__init__()
        #定義2個卷積層
        self.conv1=nn.Conv2d(in_channels=1,out_channels=6,kernel_size=5)
        self.conv2=nn.Conv2d(in_channels=6,out_channels=16,kernel_size=5)
        #定義了3個線性層，即y=wx+b
        self.fc1=nn.Linear(in_features=16*5*5,out_features=120)
        self.fc2=nn.Linear(120,84)
        self.fc3=nn.Linear(84,10)
 
    def forward(self, x):
        #在第一層卷積網絡和第二層之間增加了relu激活函數和池化層
        x=F.max_pool2d(input=F.relu(input=self.conv1(x)),kernel_size=(2,2))
        #如果池化層是方塊形的可以用一個number指定
        x=F.max_pool2d(input=F.relu(input=self.conv2(x)),kernel_size=2)
        x=x.view(-1,self.num_flat_features(x))
        x=F.relu(input=self.fc1(x))
        x=F.relu(self.fc2(x))
        x=self.fc3(x)
        return x
 
    def num_flat_features(self,x):
        size=x.size()[1:]#切片0里面放的是當前訓練batch的number，不是特征信息
        num_features=1
        for s in size:
            num_features*=s
        return num_features
net=Net()
print(net)

Net(
  (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (fc1): Linear(in_features=400, out_features=120, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
)

　　你只要定義前向函數，當你使用 autograd 時，后向傳播函數將會自動定義。在前向函數中你可以使用任何張量運算。

　　模型的可學習參數由 net.parameters() 返回。

params = list(net.parameters())
print(len(params))
print(params[0].size())  # conv1's .weight

　　這個網絡適合32*32的數據集（1*32*32經過一個核心為5的卷積層，大小變為6*28*28；經過一個核心為2的池化層，大小變為6*14*14；再經過一個核心為5的卷積層，大小變為16*10*10；池化層，16*5*5，正好是下一個線性層的輸入特征數），我們隨機一個輸入數據集，運行一下我們的模型吧：

input = torch.randn(1, 1, 32, 32)
out = net(input)
print(out)

tensor([[-8.2934e-03, -1.9684e-02, -7.6836e-02,  5.3187e-02,  1.1083e-01,
         -2.5156e-02, -6.1870e-05, -8.3843e-03,  4.1401e-02, -5.8330e-02]],
       grad_fn=<AddmmBackward>)

　　將所有參數的梯度設為0，使用隨機梯度進行反向傳播：

net.zero_grad()
out.backward(torch.randn(1, 10))

　　注：torch.nn只支持批量數據的處理，而不是單個樣本。例如，nn.Conv2d 將會使用 4D張量，nSamples x nChannels x Height x Width，如果只有單個樣本，可以使用input.unsqueeze(0)來增加一個假的batch維度。

　　回顧下剛學到的幾個類：

• torch.Tensor- 多維數組並支持自動微分運算如backward()
  
• nn.Moudle-神經網絡模型，幫助我們封裝參數，移植到GPU，導出和加載等
• nn.Parameter-張量，當你給Module定義屬性時，參數會自動生成
• autograd.Function-實現前向和反向定義的自動微分運算。每個張量運算至少創建一個Function結點，來連接創建張量和記錄歷史的函數

Loss Function

　　損失函數計算輸出和目標之間的值，來衡量兩者的差距。在nn中有多種不同的損失函數，一個簡單的損失函數是：nn.MSELoss，它返回的是均方差，即每一個分量相減的平方累計最后除分量的個數。

output = net(input)
target = torch.randn(10)  # a dummy target, for example
target = target.view(1, -1)  # make it the same shape as output
criterion = nn.MSELoss()

loss = criterion(output, target)
print(loss)

tensor(0.9531, grad_fn=<MseLossBackward>)

　　如果你沿着loss反向傳播的方向，用.grad_fn屬性可以看到計算圖：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d
      -> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear
      -> MSELoss
      -> loss

　　所以，當你調用loss.backward()時，在整個計算圖都會進行微分，所有requires_grad=True的張量的.grad屬性都會累加。

　　為了說明，打印如下少數幾步的反向傳播：

print(loss.grad_fn)  # MSELoss
print(loss.grad_fn.next_functions[0][0])  # Linear
print(loss.grad_fn.next_functions[0][0].next_functions[0][0])  # ReLU

<MseLossBackward object at 0x7f6e48d5ee48>
<AddmmBackward object at 0x7f6e48d5eac8>
<AccumulateGrad object at 0x7f6e48d5eac8>

Backprop

　　為了反向傳播誤差我們需要做的只要使用 loss.backward() ，同時也需要清除已有的梯度，否則梯度會累加到已經存在的梯度。

　　調用 loss.backward() ，觀察conv1 層bias的梯度反向傳播前后的變化　　

net.zero_grad()     # zeroes the gradient buffers of all parameters

print('conv1.bias.grad before backward')
print(net.conv1.bias.grad)

loss.backward()

print('conv1.bias.grad after backward')
print(net.conv1.bias.grad)

conv1.bias.grad before backward
tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.])
conv1.bias.grad after backward
tensor([-0.0022,  0.0022, -0.0139,  0.0072,  0.0029,  0.0035])

 　　現在我們已經知道了如何使用損失函數。

Update the weights

　　在實際中使用的最簡單的更新規則是隨即梯度下降SGD：

weight = weight - learning_rate * gradient

　　我們可以簡單地使用python代碼進行實現：

learning_rate = 0.01
for f in net.parameters():
    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)

　　如果需要使用其他的更新規則，比如SGD，Nesterov-SGD, Adam, RMSProp等等，pytorch也提供了相關的包：torch.optim ，實現了這些方法。

　　使用實例：

import torch.optim as optim

# create your optimizer
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01)

# in your training loop:
optimizer.zero_grad()   # zero the gradient buffers
output = net(input)
loss = criterion(output, target)
loss.backward()
optimizer.step()    # Does the update

　　注：代碼中我們手動將梯度設置為0，optimizer.zero_grad()，這是因為梯度不置0的話將會累加以前的值，在反向傳播那一節我們也提到過。

TRAINING A CLASSIFIER

　　我們已經知道了如何定義網絡，計算損失和更新網絡權重，那我們將會思考，那數據呢？

　　通常來講，當你處理圖片，文本，語音和視頻數據，可以使用標准的python包來加載數據為numpy數組，然后轉換為張量torch.*Tensor。

• 圖片，通常可以使用Pillow, OpenCV
• 語音，使用scipy 和 librosa
• 文本，純python或Cython，也可以使用NLTK和SpaCy

　　對於視覺，我們專門創建了一個名為 torchvision 的包，其擁有加載普通數據集（Imagenet, CIFAR10, MNIST）的加載器和圖片數據轉換器，即torchvision.datasets 和 torch.utils.data.DataLoader。

　　在本教程中，我們將使用CIFAR10數據集。它有10個類別：‘airplane’, ‘automobile’, ‘bird’, ‘cat’, ‘deer’, ‘dog’, ‘frog’, ‘horse’, ‘ship’, ‘truck’. CIFAR10中的圖像的大小為3*32*32，即大小為32*32的有3個通道的彩色圖像。　　

Training an image classifier

　　接下來我們要做一步步完成以下內容：

1. 使用torchvision加載和歸一化CIFAR10的訓練和測試數據集
2. 定義一個卷積神經網絡
3. 定義一個損失函數
4. 在訓練數據上訓練數據
5. 在測試集上測試網絡

1. Loading and normalizing CIFAR10

import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

　　torchvision數據集的輸出是在[0,1]范圍的]PILImage，我們將其轉化為歸一化范圍[-1, 1]的張量。

transform = transforms.Compose(
    [transforms.ToTensor(),
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True,
                                        download=True, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4,
                                          shuffle=True, num_workers=2)

testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False,
                                       download=True, transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=4,
                                         shuffle=False, num_workers=2)

classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat',
           'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')

Downloading https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz to ./data/cifar-10-python.tar.gz
Files already downloaded and verified

 　　使用matplotlib庫查看訓練數據：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# functions to show an image


def imshow(img):
    img = img / 2 + 0.5     # unnormalize
    npimg = img.numpy()
    plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
    plt.show()


# get some random training images
dataiter = iter(trainloader)
images, labels = dataiter.next()

# show images
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
# print labels
print(' '.join('%5s' % classes[labels[j]] for j in range(4)))

frog  bird truck  ship

2. Define a Convolutional Neural Network

　　復制神經網絡那一節的代碼，然后將輸入圖像的通道改為3個，

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
 
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net,self).__init__()
        self.conv1=nn.Conv2d(3,6,5)
        self.pool=nn.MaxPool2d(kernel_size=2,stride=2)
        self.conv2=nn.Conv2d(6,16,5)
        self.fc1=nn.Linear(16*5*5,120)
        self.fc2=nn.Linear(in_features=120,out_features=84)
        self.fc3 = nn.Linear(in_features=84, out_features=10)
    def forward(self, x):
        x=self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
        x=self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
        x=x.view(-1,16*5*5)
        x=F.relu(self.fc1(x))
        x=F.relu(self.fc2(x))
        x=self.fc3(x)
        return  x
net=Net()
print(net)

Net(
  (conv1): Conv2d(3, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (pool): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (fc1): Linear(in_features=400, out_features=120, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
) 

3. Define a Loss function and optimizer

 　　使用分類的交叉熵損失函數和帶動量的隨機梯度下降。

import torch.optim as optim

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

4. Train the network　　

for epoch in range(2):#循環整個數據集多少遍
 
    running_loss=0.0
    for i,data in enumerate(trainloader,start=0):
        #get the inputs
        inputs, labels = data
 
        # 梯度清0
        optimizer.zero_grad()
 
        #forward + backword + optimize
        outputs = net(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()
 
        #打印統計信息
        running_loss += loss.item()
        if i % 2000 == 1999: #每2000個mini-batches打印一次
            print("[%d, %d] loss: %.3f" %
                  (epoch+1, i+1, running_loss/2000))
            running_loss=0.0
print('Finished Training')