哈喽，我是小壮！
创建卷积神经网络（CNN），很多初学者不太熟悉，今儿咱们来大概说说，给一个完整的案例进行说明。
CNN 用于图像分类、目标检测、图像生成等任务。它的关键思想是通过卷积层和池化层来自动提取图像的特征，并通过全连接层进行分类。
原理
1.卷积层（Convolutional Layer）：
卷积层使用卷积操作从输入图像中提取特征。卷积操作涉及一个可学习的卷积核（filter/kernel），该核在输入图像上滑动，并计算滑动窗口下的点积。这有助于提取局部特征，使网络对平移不变性更强。
公式：
其中，x是输入，w是卷积核，b是偏置。
2.池化层（Pooling Layer）：
池化层用于减小数据的空间维度，减少计算量，并提取最显著的特征。最大池化是常用的一种方式，在每个窗口中选择最大的值。
公式（最大池化）：
3.全连接层（Fully Connected Layer）：
全连接层用于将卷积和池化层提取的特征映射到输出类别。它连接到前一层的所有神经元。
实战步骤和详解
1.步骤
- 导入必要的库和模块。
- 定义网络结构：使用nn.Module定义一个继承自它的自定义神经网络类，定义卷积层、激活函数、池化层和全连接层。
- 定义损失函数和优化器。
- 加载和预处理数据。
- 训练网络：使用训练数据迭代训练网络参数。
- 测试网络：使用测试数据评估模型性能。
2.代码实现
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
# 定义卷积神经网络类
class SimpleCNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleCNN, self).__init__()
# 卷积层1
self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=16, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
self.relu = nn.ReLU()
self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
# 卷积层2
self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=16, out_channels=32, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
# 全连接层
self.fc1 = nn.Linear(32 * 7 * 7, 10) # 输入大小根据数据调整
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.relu(x)
x = self.pool(x)
x = self.conv2(x)
x = self.relu(x)
x = self.pool(x)
x = x.view(-1, 32 * 7 * 7)
x = self.fc1(x)
return x
# 定义损失函数和优化器
net = SimpleCNN()
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001)
# 加载和预处理数据
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))])
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
# 训练网络
num_epochs = 5
for epoch in range(num_epochs):
for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
optimizer.zero_grad()
outputs = net(images)
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
if (i+1) % 100 == 0:
print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Step [{i+1}/{len(train_loader)}], Loss: {loss.item()}')
# 测试网络
net.eval()
with torch.no_grad():
correct = 0
total = 0
for images, labels in test_loader:
outputs = net(images)
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
total += labels.size(0)
correct += (predicted == labels).sum().item()
accuracy = correct / total
print('Accuracy on the test set: {}%'.format(100 * accuracy))这个示例展示了一个简单的CNN模型，使用MNIST数据集进行训练和测试。
接下来，咱们添加可视化步骤，更直观地了解模型的性能和训练过程。
可视化
1.导入matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt2.在训练过程中记录损失和准确率：
在训练循环中，记录每个epoch的损失和准确率。
# 在训练循环中添加以下代码
train_loss_list = []
accuracy_list = []
for epoch in range(num_epochs):
running_loss = 0.0
correct = 0
total = 0
for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
optimizer.zero_grad()
outputs = net(images)
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
running_loss += loss.item()
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
total += labels.size(0)
correct += (predicted == labels).sum().item()
if (i+1) % 100 == 0:
print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Step [{i+1}/{len(train_loader)}], Loss: {loss.item()}')
epoch_loss = running_loss / len(train_loader)
accuracy = correct / total
train_loss_list.append(epoch_loss)
accuracy_list.append(accuracy)3.可视化损失和准确率：
# 在训练循环后，添加以下代码
plt.figure(figsize=(12, 4))
# 可视化损失
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(range(1, num_epochs + 1), train_loss_list, label='Training Loss')
plt.title('Training Loss')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()
# 可视化准确率
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(range(1, num_epochs + 1), accuracy_list, label='Accuracy')
plt.title('Accuracy')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()这样，咱们就可以在训练过程结束后看到训练损失和准确率的变化。
导入代码后，大家可以根据需要调整可视化的内容和格式。
