pytorch实现LeNet5分类CIFAR10

关于LeNet-5

LeNet5的Pytorch实现在网络上已经有很多了，这里记录一下自己的实现方法。

LeNet-5出自于Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition中，被用于手写数字识别，也是首批在图像识别中运用了卷积的网络。LeNet-5的网络结果如下：

从这个网络结构图中可以看出，网络首先经过了卷积、池化、卷积、池化、全连接、全连接。接下来对这些层做一些解释。

网络结构

1. 第一次卷积

   LeNet-5的第一次卷积采用了5*5的卷积核，卷积的filters为6，步长为1，padding为0，经过这样的一次卷积，32*32*3的输入图片就变成了28*28*6的特征图（feature map），这里长、宽和通道的变化可以由卷积的各项参数得到，如28=(32-5+1)/1，通道3变成6是因为卷积的filters数为6

2. 第一次池化

   在经过第一次卷积之后，这里经过了一次池化的操作，特征图的长宽减半，通道数不变，这样特征图的尺寸就变成了14*14*6，池化的目的是为了减小特征图的大小，减少计算量

3. 第二次卷积

   第二次卷积同样采用了5*5的卷积核，卷积的filters数为16，步长为1，padding为0，经过该卷积层的特征图变为了10*10*16

4. 第二次池化

   这里需要经过一层的池化，同样图的长宽减半，变为了5*5*16

5. 第一次全连接

   全连接层是将一张图片的所有的像素都连接起来，我们从上面得知，上层卷积得到的特征图为5*5*16，就可以算出一共有5*5*16=400个像素，则输入为400个特征，根据论文的定义，该全连接层输出120个特征

6. 第二次全连接

   同上，该层输入了120个特征，输出了84个特征

7. 第三次全连接

   该层输入了84个特征，输出了10个特征，对应了CIFAR10数据集需要分10类

网络的pytorch代码如下：

class LeNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LeNet, self).__init__()
        # 第一层卷积
        self.conv_1 = nn.Conv2d(3, 6, (5, 5), stride=1, padding=0)
        # 第二层池化
        self.pool_1 = nn.AvgPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2, padding=0)
        # 第三层卷积
        self.conv_2 = nn.Conv2d(6, 16, (5, 5), stride=1, padding=0)
        # 第四层池化
        self.pool_2 = nn.AvgPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=2, padding=0)
        # 第七层全连接
        self.linear_1 = nn.Linear(16 * 8 * 8, 120)
        # 第八层全连接
        self.linear_2 = nn.Linear(120, 84)
        # 第九层全连接
        self.linear_3 = nn.Linear(84, 10)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
        self.tanh = nn.Tanh()

    def forward(self, x):
        x_c1 = self.relu(self.conv_1(x))
        x_p1 = self.pool_1(x_c1)
        x_c2 = self.relu(self.conv_2(x_p1))
        x_p2 = self.pool_2(x_c2)
        x_c3 = x_p2.view(x_p2.size(0), -1)
        x_l1 = self.relu(self.linear_1(x_c3))
        x_l2 = self.relu(self.linear_2(x_l1))
        x_l3 = self.linear_3(x_l2)
        return x_l3

数据集

LeNet-5当初设计出来是为了分类手写数据集，所以理论上MINST手写数据集会更加的适合它，但是这里我还是选择了CIFAR10数据集来测试LeNet-5网络。

CIFAR10数据集可以在pytorch中很方便的调用，但是处于练习pytorch的目的，这里手动下载了CIFAR10数据集，然后手写了读取数据集的相关类。

CIFAR10数据集可以在其官网下载，链接如下：http://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz

大家下载后，并不是一个个的图片，而是一个二进制的文件，图片的数据就包含在其中，需要利用相关的代码将这个二进制的文件转为图片文件。下面放出相关的代码：

# -*- coding: utf-8 -*-
import imageio
import numpy as np
import pickle
import os

if not os.path.exists("./cifar10/train"):
    os.makedirs("./cifar10/train")
if not os.path.exists("./cifar10/test"):
    os.makedirs("./cifar10/test")

def load_file(filename):
    with open(filename, 'rb') as f:
        data = pickle.load(f, encoding='latin1')
    return data

# 生成训练集图片，如果需要png格式，只需要改图片后缀名即可。
for j in range(1, 6):
    dataName = "data_batch_" + str(j)  # 读取当前目录下的data_batch12345文件，dataName其实也是data_batch文件的路径，本文和脚本文件在同一目录下。
    Xtr = load_file('./cifar10/'+dataName)
    print(dataName + " is loading...")

    for i in range(0, 10000):
        img = np.reshape(Xtr['data'][i], (3, 32, 32))  # Xtr['data']为图片二进制数据
        img = img.transpose(1, 2, 0)  # 读取image
        picName = './cifar10/train/' + str(Xtr['labels'][i]) + '_' + str(i + (j - 1)*10000) + '.jpg'  # Xtr['labels']为图片的标签，值范围0-9，本文中，train文件夹需要存在，并与脚本文件在同一目录下。
        imageio.imwrite(picName, img)
    print(dataName + " loaded.")

print("test_batch is loading...")

# 生成测试集图片
testXtr = load_file('./cifar10/test_batch')
for i in range(0, 10000):
    img = np.reshape(testXtr['data'][i], (3, 32, 32))
    img = img.transpose(1, 2, 0)
    picName = './cifar10/test/' + str(testXtr['labels'][i]) + '_' + str(i) + '.jpg'
    imageio.imwrite(picName, img)
print("test_batch loaded.")

运行上面的代码后，大家就可以得到train和test两个文件夹的图片，其类别是通过文件名来判断的。

根据该CIFAR10数据集，就可以写出读取数据集的相关类了，代码如下：

class Cifar10Dataset(Dataset):
    def __init__(self, img_path, transform=None, target_transform=None):
        self.imgs = []
        img_list = os.listdir(img_path)
        for i in img_list:
            label = i.split('_')[0]
            self.imgs.append({'label': label, "img": os.path.join(img_path, i)})
        self.transform = transform
        self.target_transform = target_transform

    def __getitem__(self, index):
        data = self.imgs[index]
        # label = [0.0]*10
        # label[int(data['label'])] = 1.0
        label = float(data['label'])
        img_path = data['img']
        img = Image.open(img_path).convert('RGB')
        if self.transform is not None:
            img = self.transform(img)
        return label, img

    def __len__(self):
        return len(self.imgs)

其中__getitem__和__len__是继承自Dataset类，分别用于获取一个数据和获取数据集的长度。

定义了Dataset接下来就可以定义dataloader了，定义如下：

cifar_train = dataset.Cifar10Dataset('./cifar10/train', transform=transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
]))
cifar_test = dataset.Cifar10Dataset('./cifar10/test', transform=transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
]))

cifar_train_loader = DataLoader(cifar_train, batch_size=batch_size, shuffle=True)
cifar_test_loader = DataLoader(cifar_test, batch_size=batch_size, shuffle=False)

其中的transform为将提取出的图片做何种处理，在本段代码中，进行了调整大小、转为Tensor变量和归一化的处理，这里要注意，归一化需要在tensor之后。

训练

接下来就编写train的代码，直接将代码放出

import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import torch.optim as optim
from tensorboardX import SummaryWriter
import dataset
from model import LeNet
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR

write = SummaryWriter('result')

batch_size = 71680
epoch_num = 200

cifar_train = dataset.Cifar10Dataset('./cifar10/train', transform=transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
]))
cifar_test = dataset.Cifar10Dataset('./cifar10/test', transform=transforms.Compose([
    transforms.Resize((32, 32)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
]))

cifar_train_loader = DataLoader(cifar_train, batch_size=batch_size, shuffle=True)
cifar_test_loader = DataLoader(cifar_test, batch_size=batch_size, shuffle=False)

# label, img = iter(cifar_train_loader).next()

criteon=nn.CrossEntropyLoss()
device=torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
# print(device)
net=LeNet().to(device)
# write.add_graph(net)
optimizer=optim.Adam(net.parameters(), lr=1e-2)
scheduler = StepLR(optimizer, step_size=100, gamma=0.1)

# print(net)
for epoch in range(epoch_num):
    for batchidx, (label, img) in enumerate(cifar_train_loader):
        net.train()
        logits = net(img.to(device))
        loss = criteon(logits, label.long().to(device))
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        scheduler.step()
    print("epoch:{} loss:{}".format(epoch, loss.item()))
    write.add_scalar(tag='train_loss', global_step=epoch, scalar_value=loss.item())

    net.eval()
    with torch.no_grad():
        total_num = 0
        total_correct = 0
        for label, img in cifar_test_loader:
            logits = net(img.to(device))
            pred = logits.argmax(dim=1)
            total_correct += torch.eq(label.to(device), pred).float().sum()
            total_num += img.size(0)
        acc = total_correct / total_num
        print("EVAL--epoch:{}  acc:{} Lr:{}".format(epoch, acc, optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']))
        write.add_scalar(tag="eval_acc", global_step=epoch, scalar_value=acc)
        write.add_scalar(tag="Learning Rate", global_step=epoch, scalar_value=optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr'])

在train的时候，你需要更改你自己电脑的显卡水平来调整batch_size的大小，运行即可开始训练。

详细的代码可以在我的github仓库看到

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