注意
跳转至页面底部下载完整示例代码。
训练分类器#
创建日期:2017年3月24日 | 最后更新:2026年5月8日 | 最后验证:未验证
就是这样。你已经了解了如何定义神经网络、计算损失以及更新网络权重。
现在你可能在想,
数据怎么办?#
通常,在处理图像、文本、音频或视频数据时,你可以使用标准的 Python 包将数据加载为 numpy 数组。然后,你可以将该数组转换为 torch.*Tensor。
对于图像,Pillow、OpenCV 等包非常有用
对于音频,可以使用 scipy 和 librosa 等包
对于文本,可以使用原生 Python 或基于 Cython 的加载方式,或者使用 NLTK 和 SpaCy
专门针对视觉任务,我们创建了一个名为 torchvision 的包,其中包含了常用数据集(如 ImageNet、CIFAR10、MNIST 等)的数据加载器,以及用于图像的转换工具,即 torchvision.datasets 和 torch.utils.data.DataLoader。
这提供了极大的便利,避免了编写样板代码。
在本教程中,我们将使用 CIFAR10 数据集。它包含以下类别:‘飞机’(airplane)、‘汽车’(automobile)、‘鸟’(bird)、‘猫’(cat)、‘鹿’(deer)、‘狗’(dog)、‘青蛙’(frog)、‘马’(horse)、‘船’(ship)、‘卡车’(truck)。CIFAR-10 中的图像尺寸为 3x32x32,即 3 通道的 32x32 像素彩色图像。
cifar10#
训练图像分类器#
我们将按顺序执行以下步骤
使用
torchvision加载并归一化 CIFAR10 训练集和测试集定义卷积神经网络
定义损失函数
在训练数据上训练网络
在测试数据上测试网络
1. 加载并归一化 CIFAR10#
使用 torchvision 加载 CIFAR10 非常简单。
import torch
import torchvision
from torchvision.transforms import v2
torchvision 数据集的输出是范围在 [0, 1] 之间的 PILImage 图像。我们将它们转换为归一化范围在 [-1, 1] 之间的张量(Tensor)。
注意
如果你在 Windows 或 MacOS 上运行本教程并遇到与多进程相关的 BrokenPipeError 或 RuntimeError,请尝试将 torch.utils.data.DataLoader() 的 num_worker 设置为 0。
transform = v2.Compose([
v2.ToImage(),
v2.ToDtype(torch.float32, scale=True),
v2.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
batch_size = 4
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True,
download=True, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=batch_size,
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=batch_size,
shuffle=False, num_workers=2)
classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat',
'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')
0%| | 0.00/170M [00:00<?, ?B/s]
0%| | 459k/170M [00:00<00:37, 4.55MB/s]
2%|▏ | 3.77M/170M [00:00<00:07, 21.2MB/s]
4%|▍ | 7.21M/170M [00:00<00:06, 27.1MB/s]
6%|▌ | 10.2M/170M [00:00<00:05, 28.3MB/s]
8%|▊ | 13.9M/170M [00:00<00:04, 31.4MB/s]
11%|█ | 19.2M/170M [00:00<00:03, 38.5MB/s]
15%|█▌ | 25.8M/170M [00:00<00:03, 47.5MB/s]
20%|█▉ | 33.8M/170M [00:00<00:02, 57.9MB/s]
26%|██▌ | 43.5M/170M [00:00<00:01, 70.1MB/s]
31%|███▏ | 53.3M/170M [00:01<00:01, 78.6MB/s]
36%|███▋ | 61.9M/170M [00:01<00:01, 80.5MB/s]
42%|████▏ | 72.1M/170M [00:01<00:01, 87.2MB/s]
48%|████▊ | 82.6M/170M [00:01<00:00, 92.4MB/s]
54%|█████▍ | 92.1M/170M [00:01<00:00, 93.3MB/s]
60%|█████▉ | 101M/170M [00:01<00:00, 92.8MB/s]
65%|██████▌ | 111M/170M [00:01<00:00, 94.6MB/s]
71%|███████ | 121M/170M [00:01<00:00, 94.7MB/s]
77%|███████▋ | 131M/170M [00:01<00:00, 95.7MB/s]
82%|████████▏ | 140M/170M [00:01<00:00, 95.1MB/s]
88%|████████▊ | 150M/170M [00:02<00:00, 96.8MB/s]
94%|█████████▍| 160M/170M [00:02<00:00, 95.4MB/s]
100%|█████████▉| 170M/170M [00:02<00:00, 95.4MB/s]
100%|██████████| 170M/170M [00:02<00:00, 76.6MB/s]
为了有趣,让我们展示一些训练图像。
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 = next(dataiter)
# show images
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
# print labels
print(' '.join(f'{classes[labels[j]]:5s}' for j in range(batch_size)))

deer dog truck truck
2. 定义卷积神经网络#
复制之前“神经网络”部分的神经网络,并进行修改以接收 3 通道图像(而不是之前定义的 1 通道图像)。
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)
self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)
self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
self.fc3 = nn.Linear(84, 10)
def forward(self, x):
x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
x = torch.flatten(x, 1) # flatten all dimensions except batch
x = F.relu(self.fc1(x))
x = F.relu(self.fc2(x))
x = self.fc3(x)
return x
net = Net()
3. 定义损失函数和优化器#
让我们使用分类交叉熵损失和带动量的随机梯度下降(SGD)。
import torch.optim as optim
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)
4. 训练网络#
这是事情变得有趣的地方。我们只需循环遍历数据迭代器,将输入喂给网络并进行优化即可。
for epoch in range(2): # loop over the dataset multiple times
running_loss = 0.0
for i, data in enumerate(trainloader, 0):
# get the inputs; data is a list of [inputs, labels]
inputs, labels = data
# zero the parameter gradients
optimizer.zero_grad()
# forward + backward + optimize
outputs = net(inputs)
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
# print statistics
running_loss += loss.item()
if i % 2000 == 1999: # print every 2000 mini-batches
print(f'[{epoch + 1}, {i + 1:5d}] loss: {running_loss / 2000:.3f}')
running_loss = 0.0
print('Finished Training')
[1, 2000] loss: 2.236
[1, 4000] loss: 1.968
[1, 6000] loss: 1.743
[1, 8000] loss: 1.652
[1, 10000] loss: 1.574
[1, 12000] loss: 1.529
[2, 2000] loss: 1.447
[2, 4000] loss: 1.456
[2, 6000] loss: 1.401
[2, 8000] loss: 1.383
[2, 10000] loss: 1.355
[2, 12000] loss: 1.323
Finished Training
让我们快速保存训练好的模型
PATH = './cifar_net.pt'
torch.save(net.state_dict(), PATH)
关于保存 PyTorch 模型的更多详细信息,请参阅此处。
5. 在测试数据上测试网络#
我们已经在训练数据集上对网络进行了 2 次遍历训练。但我们需要检查网络是否真的学到了东西。
我们将通过预测神经网络输出的类别标签,并将其与真实标签进行对比来检查。如果预测正确,我们将该样本添加到正确预测列表中。
好了,第一步。让我们显示一张测试集中的图片来熟悉一下。
dataiter = iter(testloader)
images, labels = next(dataiter)
# print images
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
print('GroundTruth: ', ' '.join(f'{classes[labels[j]]:5s}' for j in range(4)))

GroundTruth: cat ship ship plane
接下来,让我们重新加载我们保存的模型(注意:此处保存并重新加载模型并非必要,我们这样做只是为了演示如何操作)
net = Net()
net.load_state_dict(torch.load(PATH, weights_only=True))
<All keys matched successfully>
好了,现在让我们看看神经网络认为上面的这些示例是什么
输出是 10 个类别的能量值。某个类别的能量越高,网络就越认为图像属于该类别。因此,让我们获取最高能量值的索引。
Predicted: cat ship ship ship
结果看起来相当不错。
让我们看看网络在整个数据集上的表现。
correct = 0
total = 0
# since we're not training, we don't need to calculate the gradients for our outputs
with torch.no_grad():
for data in testloader:
images, labels = data
# calculate outputs by running images through the network
outputs = net(images)
# the class with the highest energy is what we choose as prediction
_, predicted = torch.max(outputs, 1)
total += labels.size(0)
correct += (predicted == labels).sum().item()
print(f'Accuracy of the network on the 10000 test images: {100 * correct // total} %')
Accuracy of the network on the 10000 test images: 52 %
这看起来比随机猜测(从 10 个类别中随机选择一个,准确率为 10%)要好得多。看来网络确实学到了一些东西。
嗯,哪些类别表现良好,哪些类别表现不佳呢?
# prepare to count predictions for each class
correct_pred = {classname: 0 for classname in classes}
total_pred = {classname: 0 for classname in classes}
# again no gradients needed
with torch.no_grad():
for data in testloader:
images, labels = data
outputs = net(images)
_, predictions = torch.max(outputs, 1)
# collect the correct predictions for each class
for label, prediction in zip(labels, predictions):
if label == prediction:
correct_pred[classes[label]] += 1
total_pred[classes[label]] += 1
# print accuracy for each class
for classname, correct_count in correct_pred.items():
accuracy = 100 * float(correct_count) / total_pred[classname]
print(f'Accuracy for class: {classname:5s} is {accuracy:.1f} %')
Accuracy for class: plane is 46.1 %
Accuracy for class: car is 61.2 %
Accuracy for class: bird is 28.6 %
Accuracy for class: cat is 32.6 %
Accuracy for class: deer is 41.3 %
Accuracy for class: dog is 39.5 %
Accuracy for class: frog is 57.8 %
Accuracy for class: horse is 74.7 %
Accuracy for class: ship is 77.6 %
Accuracy for class: truck is 68.4 %
好的,接下来做什么?
我们如何在 GPU 上运行这些神经网络?
在 GPU 上训练#
就像你将张量转移到 GPU 上一样,你也可以将神经网络转移到 GPU 上。
如果 CUDA 可用,我们首先将设备定义为第一个可见的 cuda 设备
device = torch.device(torch.accelerator.current_accelerator().type if torch.accelerator.is_available() else 'cpu')
# Assuming that we are on a CUDA machine, this should print a CUDA device:
print(device)
cuda
本节的其余部分假设 device 是一个 CUDA 设备。
然后,这些方法将递归遍历所有模块,并将它们的参数和缓冲区转换为 CUDA 张量
net.to(device)
请记住,你还需要在每一步将输入和目标数据发送到 GPU
为什么我没有感觉到相比 CPU 的巨大加速?因为你的网络太小了。
练习:尝试增加网络的宽度(第一个 nn.Conv2d 的第 2 个参数,以及第二个 nn.Conv2d 的第 1 个参数 —— 它们必须是相同的数字),看看你会得到什么样的加速效果。
目标达成:
了解 PyTorch 的张量库和神经网络的高级概念。
训练一个小型的神经网络来分类图像
在多个 GPU 上训练#
如果你想看到使用所有 GPU 带来的更巨大的加速,请查看 可选:数据并行。
接下来去哪里?#
del dataiter
脚本总运行时间:(1 分 28.251 秒)