深度学习-AlexNet（第一个深度卷积网络）

news2024/12/27 12:21:14

文章目录

  • 简介
  • 数据集
  • 模型搭建
  • 模型训练
  • 模型测试

前些天发现了一个巨牛的人工智能学习网站，通俗易懂，风趣幽默，忍不住分享一下给大家。点击跳转到网站。

简介

AlexNet是第一个深度卷积网络模型，赢得了2012年ImageNet图像分类竞赛的冠军，自98年的LeNet后再次将深度学习研究引热，创造性的提出了很多方法且影响至今，如使用GPU进行训练，使用ReLU 作为非线性激活函数，使用 Dropout 防止过拟合，使用数据增强来提高模型准确率等。

Krizhevsky A, Sutskever I, Hinton G E, 2012. ImageNet classification with deep convolutional neural networks[C]//Advances in Neural Information Processing Systems 25. 1106-1114.

AlexNet模型结构如下：
在这里插入图片描述
包括5个卷积层、3个全连接层。分别部署在2个GPU上，这里写在一起即可。

  • 卷积层1
    输入RGB三通道，即3×224×224的图像；
    使用96个大小为11×11的卷积核，步长4，填充2；
    输出96×55×55特征；
    ReLu激活；
    最大池化，核大小3×3，步长2（重叠池化）；
    输出96×27×27特征；

  • 卷积层2
    输入特征图大小96×27×27；
    使用256个大小为5×5的卷积核，步长1，填充2；
    输出256×27×27特征；
    ReLu激活；
    最大池化，核大小3×3，步长2（重叠池化）；
    输出256×13×13特征；

  • 卷积层3
    输入特征图大小256×13×13；
    使用384个大小为3×3的卷积核，步长1，填充1；
    输出384×13×13特征；
    ReLu激活；

  • 卷积层4
    输入特征图大小384×13×13；
    使用384个大小为3×3的卷积核，步长1，填充1；
    输出384×13×13特征；
    ReLu激活；

  • 卷积层5
    输入特征图大小384×13×13；
    使用256个大小为3×3的卷积核，步长1，填充1；
    输出256×13×13特征；
    ReLu激活；
    最大池化，核大小3×3，步长2（重叠池化）；
    输出256×6×6特征；

  • 全连接层1
    Droupout随机置0；
    输入25666，输出4096；
    ReLu激活；

  • 全连接层2
    Droupout随机置0；
    输入4096，输出4096；
    ReLu激活；

  • 全连接层1
    输入4096，输出分类数；

数据集

由于ImageNet数据集太大且不提供测试集的标签，这里使用torchversion封装的OxfordIIITPet数据集，包含猫狗共37类，每类约200张图片，共800M左右。

官网https://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/pets/

在这里插入图片描述

由于该数据集尺寸不同，同一缩放为256×256大小，然后采用10剪切，裁出10张224×224大小。

import torch
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms
import torchvision

pet_train = torchvision.datasets.OxfordIIITPet(root='./datasets/', download=True,
                                               transform=transforms.Resize((256, 256)))
pet_test = torchvision.datasets.OxfordIIITPet(root='./datasets/', split='test', download=True,
                                              transform=transforms.Resize((256, 256)))
print('训练/测试集大小:', len(pet_train), len(pet_test))
img, label = pet_train[0]
print('原图像大小和标签：', img.size, label)

tenCrop = transforms.TenCrop(224, vertical_flip=False)  # 上下左右中心，然后镜像共10张
img = tenCrop(img)
print('剪切后个数：', len(img))
print('剪切后图像大小：', img[0].size)

toTensor = transforms.ToTensor()  # 转为10个tensor
tensor_list = []
for i in range(len(img)):
    tensor_list.append(toTensor(img[i]))
img_tensor = torch.stack(tensor_list)
print(img_tensor.shape)

writer = SummaryWriter(log_dir='runs/pet')  # 可视化
writer.add_images(tag='train', img_tensor=img_tensor)
writer.close()

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

模型搭建

可以使用直接调用torchvision.models.AlexNet创建一个AlexNet模型。
以下是自定义模型，调整了一些细节，更贴近原文：

class AlexNet(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes: int = 1000, dropout: float = 0.5) -> None:
        super().__init__()
        self.features = nn.Sequential(  # (-1,3,224,224)
            nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=96, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,96,55,55)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,96,27,27)
            nn.Conv2d(in_channels=96, out_channels=256, kernel_size=5, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,256,27,27)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,256,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=256, out_channels=384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,384,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=384, out_channels=384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,384,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=384, out_channels=256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,256,13,13)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,256,6,6)
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=dropout),
            nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=dropout),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(4096, num_classes)
        )

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        x = self.features(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.classifier(x)
        return x

（插播反爬信息 ）博主CSDN地址：https://wzlodq.blog.csdn.net/

模型训练

import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms


class AlexNet(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes: int = 1000, dropout: float = 0.5) -> None:
        super().__init__()
        self.features = nn.Sequential(  # (-1,3,224,224)
            nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=96, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,96,55,55)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,96,27,27)
            nn.Conv2d(in_channels=96, out_channels=256, kernel_size=5, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,256,27,27)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,256,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=256, out_channels=384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,384,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=384, out_channels=384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,384,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=384, out_channels=256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,256,13,13)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,256,6,6)
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=dropout),
            nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=dropout),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(4096, num_classes)
        )

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        x = self.features(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.classifier(x)
        return x


# 创建模型
alexNet = AlexNet()
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
alexNet = alexNet.to(device)  # 若支持GPU加速
# 损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_fn = loss_fn.to(device)
# 优化器
learning_rate = 1e-2
optimizer = torch.optim.Adam(alexNet.parameters(), lr=learning_rate)
total_train_step = 0  # 总训练次数
total_test_step = 0  # 总测试次数
epoch = 10  # 训练轮数
writer = SummaryWriter(log_dir='runs/AlexNet')  # 可视化
# 数据
pet_train = torchvision.datasets.OxfordIIITPet(root='./datasets/', download=True,
                                               transform=transforms.Resize((256, 256)))

tenCrop = transforms.TenCrop(224, vertical_flip=False)  # 上下左右中心，然后镜像共10张
toTensor = transforms.ToTensor()  # 转为tensor
# 训练模型
for i in range(epoch):
    print("-----第{}轮训练开始-----".format(i + 1))
    loss_sum = 0
    alexNet.train()  # 训练模式
    for img, label in pet_train:
        img = tenCrop(img)  # 10剪切
        img_list, label_list = [], []  # 合为一个tensor
        for j in range(len(img)):
            img_list.append(toTensor(img[j]))
            label_list.append(label)
        imgs = torch.stack(img_list)
        labels = torch.tensor(label_list)
        imgs = imgs.to(device)  # 若GPU加速
        labels = labels.to(device)
        outputs = alexNet(imgs)  # 预测
        loss = loss_fn(outputs, labels)  # 计算损失
        optimizer.zero_grad()  # 清空之前梯度
        loss.backward()  # 反向传播
        optimizer.step()  # 更新参数
        total_train_step += 1  # 更新步数
        loss_sum += loss.item()
    writer.add_scalar("train_loss", loss_sum, total_train_step)
    torch.save(alexNet.state_dict(), "alexnet_{}.pkl".format(i))  # 保存模型
    # alexNet.load_state_dict(torch.load("alexnet_{}.pkl".format(i)))  # 加载模型
writer.close()

在这里插入图片描述

模型测试

import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms


class AlexNet(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes: int = 1000, dropout: float = 0.5) -> None:
        super().__init__()
        self.features = nn.Sequential(  # (-1,3,224,224)
            nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=96, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,96,55,55)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,96,27,27)
            nn.Conv2d(in_channels=96, out_channels=256, kernel_size=5, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,256,27,27)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,256,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=256, out_channels=384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,384,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=384, out_channels=384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,384,13,13)
            nn.Conv2d(in_channels=384, out_channels=256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),  # (-1,256,13,13)
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),  # (-1,256,6,6)
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=dropout),
            nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=dropout),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(4096, num_classes)
        )

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        x = self.features(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.classifier(x)
        return x


device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
epoch = 10  # 轮数
writer = SummaryWriter(log_dir='runs/AlexNet')  # 可视化
# 数据
pet_test = torchvision.datasets.OxfordIIITPet(root='./datasets/', split='test', download=True,
                                              transform=transforms.Resize((256, 256)))
tenCrop = transforms.TenCrop(224, vertical_flip=False)  # 上下左右中心，然后镜像共10张
toTensor = transforms.ToTensor()  # 转为tensor
# 损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_fn = loss_fn.to(device)
# 训练模型
for i in range(epoch):
    print("-----第{}个模型测试开始-----".format(i + 1))
    total_test_loss = 0  # 当前轮次模型测试所得损失
    total_accuracy = 0  # 当前轮次精确率
    alexNet = AlexNet()
    alexNet.load_state_dict(torch.load("alexnet_{}.pkl".format(i)))  # 加载模型
    for img, label in pet_test:
        img = tenCrop(img)  # 10剪切
        img_list, label_list = [], []  # 合为一个tensor
        for j in range(len(img)):
            img_list.append(toTensor(img[j]))
            label_list.append(label)
        imgs = torch.stack(img_list)
        labels = torch.tensor(label_list)
        imgs = imgs.to(device)  # 若GPU加速
        labels = labels.to(device)
        outputs = alexNet(imgs)  # 预测
        loss = loss_fn(outputs, labels)
        total_test_loss = total_test_loss + loss.item()
        accuracy = (outputs.argmax(1) == labels).sum()
        total_accuracy = total_accuracy + accuracy
    writer.add_scalar("test_loss", total_test_loss, i+1)
    writer.add_scalar("test_accuracy", total_accuracy / (10*len(pet_test)), i+1)
writer.close()

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

实际测试效果并不是很好，但是如果用ImageNet那样的大数据集，可能得跑很久，应该还是数据(我)的问题吧，强行压缩为256×256后10剪切，势必有损失和添加黑边等。

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目录 一、设计师 Designer&#xff08;掌握&#xff09; 二、布局 Layout 2.1 布局的基本使用&#xff08;掌握&#xff09; 2.2 布局属性&#xff08;掌握&#xff09; 2.3 伸展器&#xff08;掌握&#xff09; 2.4 嵌套&#xff08;掌握&#xff09; 2.5 伸展与策略&#xff…
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【C语言进阶】想用好C++？那就一定要掌握动态内存管理

【C语言进阶】想用好C++？那就一定要掌握动态内存管理

目录 &#x1f929;前言&#x1f929;&#xff1a; 一、动态内存概述⚔️&#xff1a; 1.什么是动态内存&#xff1a; 2.动态内存分配的意义&#xff1a; 二、常用的动态内存函数&#x1f3f9;&#xff1a; 1. malloc 和 free函数&#xff1a; ①. malloc 函数&#xff1a; …
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基于PSO粒子群优化的带时间窗VRPTW问题matlab仿真

基于PSO粒子群优化的带时间窗VRPTW问题matlab仿真

目录 1.算法描述 2.仿真效果预览 3.MATLAB核心程序 4.完整MATLAB 1.算法描述 粒子群优化算法(PSO)是一种进化计算技术(evolutionary computation)&#xff0c;1995 年由Eberhart 博士和kennedy 博士提出&#xff0c;源于对鸟群捕食的行为研究 。该算法最初是受到飞鸟集群活…
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数据结构初阶：树与二叉树（1）——堆

数据结构初阶：树与二叉树（1）——堆

许久没发博客&#xff0c;在这里跟各位看客道声久等了~ 冬至已至&#xff0c;各位有没有吃上热乎的饺子呢 下面给各位奉上承载着满满干货的饺子吧&#xff1a; 目录 一、树 1. 树的结构定义 2. 树的相关概念 3. 树的表示 孩子兄弟表示法 二、二叉树 1. 二叉树的结构定义 2. 特…
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