MNIST手写数字辨识-cnn网路 (机器学习中的hello world，加油)

用PyTorch实现MNIST手写数字识别(非常详细) - 知乎 (zhihu.com)

参考来源（这篇文章非常适合入门来看，每个细节都讲解得很到位）

一、模块函数用法-查漏补缺：

1.关于torch.nn.functional.max_pool2d()的用法：

上述示例中，输入张量 input 经过最大池化操作后，使用了 kernel_size=2 和 stride=2，所以输出张量 output 的高度和宽度均为输入的一半（32/2=16）。

2.pytorch中的view函数的用法:

http://t.csdn.cn/AAhdH

这一篇文章写得非常好

3.关于f.log_softmax(x,dim = -1)这个先进行softmax，再取log的函数的讲解：

http://t.csdn.cn/GIJ7g

这篇文章讲解得非常好，补充一点，dim的default值和softmax一样，都是-1，也就是计算最里面那个维度的softmax的结果

4.原来loss和counter计数器数组有这个作用：

train_losses = []
train_counter = []
test_losses = []
test_counter = [i*len(train_loader.dataset) for i in range(n_epochs + 1)]

5.关于F.nll_loss这个损失函数:

http://t.csdn.cn/ZoruZ

总的来说就是一句话“损失函数 nn.CrossEntropyLoss() 与 NLLLoss() 相同, 唯一的不同是它为我们去做 log_softmax.”

这篇文章讲述得非常清楚

6.关于loss.item()的作用：

http://t.csdn.cn/AvrnJ

这篇文章讲得非常清楚：

就是输出loss这个数值，但是呢，是用非常高的精度进行输出的，一般我们进行一各batch的训练后，就会得到这一次的loss单个数值，需要输出的话，最好就用item()

7.with torch.no_grad()的用法：

http://t.csdn.cn/STaKp

这篇文章讲述得非常清楚,就是不会进行gradient_descend操作，极大的节省了运算开销

8.data.max（）函数的用法：

http://t.csdn.cn/aBmin

上面那里讲得不太好，还是chatGPT比较优秀

9.data.view_as()的用法：

10.torch.eq的用法：

http://t.csdn.cn/Tb0kY

这篇文章讲述得非常清楚,也就是对张量中的数值逐个进行比较，

返回的是同样形状的数据，每个位置要么True要么False,可以用.sum()求和得到True的总数

顺便提一下torch.sum的用法，

x = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(x.sum())

输出的结果是21

二、各个部分的代码和注释：

#设置环境
import torch
import torchvision
from torch.utils.data import DataLoader

#准备数据集
#1.设置必要的参数
n_epochs = 3
batch_size_train = 64 #所以呢，这个64其实就是下面train时候的batch_size大小
batch_size_test = 1000
learning_rate = 0.01
momentum = 0.5
log_interval = 10 #这个就是后面用来输出的间隔
random_seed = 1
torch.manual_seed(random_seed)

#利用pytorch直接加载对应的train_data集 和 test_Data集
train_loader = torch.utils.data.DataLoader( #这里调用的是torch.utils.data.DataLoader的对象，实例化出train_dataloader
    #限免设置各个参数，比如，第一个就是Dataset参数，这里是引用MNIST作为参数，并且设置MNIST中的各个参数
    torchvision.datasets.MNIST('./data/', train=True, download=True, #设为train数据+下载
                               transform=torchvision.transforms.Compose([ #对数据进行transform变换
                                   torchvision.transforms.ToTensor(), #先变tensor后进行Normlize
                                   torchvision.transforms.Normalize(
                                       (0.1307,), (0.3081,))
                               ])),
    batch_size=batch_size_train, shuffle=True) #这个loader的后两个参数batch_size和shuffle
#同样的道理设置test_data_loader
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(
    torchvision.datasets.MNIST('./data/', train=False, download=True,
                               transform=torchvision.transforms.Compose([
                                   torchvision.transforms.ToTensor(),
                                   torchvision.transforms.Normalize(
                                       (0.1307,), (0.3081,))
                               ])),
    batch_size=batch_size_test, shuffle=True)

#查看一条数据：
examples = enumerate(test_loader) #enumerate返回一个(index,data)的元组，本身是一个迭代器，可以用于遍历test_loader
batch_idx, (example_data, example_targets) = next(examples)
print(example_targets) #输出测试（这里的test是有answer作为label的）的1000各answer
print(len(example_targets)) #总共1000各target
print(example_data.shape) #一共有1000张28*28的黑白灰度图

#利用matplotlib进行绘制得到某些数据的可视化结果
import matplotlib.pyplot as plt
fig = plt.figure() #创建一个fig对象
for i in range(6):
  plt.subplot(2,3,i+1) #按照2行3列绘制6张图片
  plt.tight_layout() #设置紧密相连
  plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray', interpolation='none') #利用imshow在下方直接输出图像
  plt.title("Ground Truth: {}".format(example_targets[i]))#设置标题,就是label的数值
  plt.xticks([])
  plt.yticks([])
plt.show()

#定义neural network的结构
import torch.nn as nn #引入neural network的库
import torch.nn.functional as F #引入nn总的常用Func
import torch.optim as optim #引入torch中的optimizer

class Net(nn.Module): #继承nn中的module
    def __init__(self):  #定义这个网络结构的构造函数
        super(Net, self).__init__() #继承nn.Module的初始化构造
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)#参数：输入channel、输出channel、卷积核5*5（filters),strdie(default =1),padding(default=0)
        #所以1*28*28的图像通过后，10*21*21(10是filters的数量)
        self.conv2 = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)
        self.conv2_drop = nn.Dropout2d() #这个函数http://t.csdn.cn/xK6og这篇文章讲得挺好的,就是让部分filters在某一层不工作,效果是有效防止overfit
        self.fc1 = nn.Linear(320, 50) #定义一个320 -->50 的Linear层函数
        self.fc2 = nn.Linear(50, 10)  #定义一个50 -->10  的Linear层函数
    def forward(self, x): #下面就是直接进行整个network的作用过程定义了 ， 输入1*28*28的灰度图
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2)) #经过一个conv1卷积层后，经过1次2*2窗口的pooling得到,默认？？padding=1,之后再算好了
        x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2_drop(self.conv2(x)), 2)) #再通过conv2之后->通过conv2_drop->通过max_pool2d
        x = x.view(-1, 320) #第二维是320，并自动计算第一维
        x = F.relu(self.fc1(x)) #通过一个linear层之后，又通过一个relu的激活函数，最后输出的是第二维是50的结果
        x = F.dropout(x, training=self.training) #只有在training模式下才会调用dropout（让某些神经元“熄火”喵）
        x = self.fc2(x) #再让x通过一个linear层，输出的结果是2维的数据，第二维（共10列）
        return F.log_softmax(x) #最后通过对最里面那一层softmax层后，取log对数

#创建model对象+设置optimizer优化器
network = Net()
optimizer = optim.SGD(network.parameters(), lr=learning_rate,
                      momentum=momentum) #lr和momentum都是上面设置好的


#设置用于存储的数组结构:
train_losses = []
train_counter = [] #估计就是一个计数器的作用
test_losses = []
test_counter = [i*len(train_loader.dataset) for i in range(n_epochs + 1)]
#print(test_counter)输出[0,60000,120000,180000]不知道再干啥，反正上面的n——epoch==3

#定义这个train函数:
def train(epoch): #这里的epoch是传递进来的参数
  network.train() #开启train模式
  for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):#迭代器：以batch为单位逐个从train_loader中获取 索引、data图像数据、label作为target数据
    optimizer.zero_grad() #因为torch中的grad是累加的，所以需要在每个batch训练之前利用optimizer.zero_grad()清零
    output = network(data) #将data图像数据通过network网络得到output输出结果
    loss = F.nll_loss(output, target) #这个loss_func只是比cross_entropy少一个对输入数据的log_softmax操作
    loss.backward()
    optimizer.step() #loss.backward + optimizer.step()常规更新模型参数的操作
    
    if batch_idx % log_interval == 0: #下面都是没啥用的间隔输出操作，上面设置的log_interval =10
      #每经过10各batch处理输出一次:
      #第几个epoch,第几个图像,总共的train有多少图像，已经完成了百分之几的batch，这个batch的loss值
      print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
        epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
        100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item())) 
      #将这个batch的loss值添加到train_losses数组中（注意，这里好像是每隔10个batch记录一次loss）
      train_losses.append(loss.item())
      train_counter.append(  #在counter中记录这个batch在考虑epoch情况下的位置
        (batch_idx*64) + ((epoch-1)*len(train_loader.dataset))) #这个64是train时候的batch_size上面写了
      #将当前的network的参数状态state_dice存储到对应的路径下, 同时optimizer的状态也要存储？why感觉optim没啥用
      torch.save(network.state_dict(), './model.pth')
      torch.save(optimizer.state_dict(), './optimizer.pth')
          
#train(1) #传递参数epoch=1进行train一次
#这里的train有个地方很有意思，它只是输出loss，没有利用argmax计算出对应的one-hot vec，从而没法和label进行比较得到acc

#定义test函数，并且进行test测试 （不用想，大概率和train的内容没有太大的区别，不过是少了backward和step的更新）
def test():
  network.eval() #开启model的eval模式
  test_loss = 0 #设置loss和acc初值
  correct = 0
  with torch.no_grad(): #不计算SGD
    for data, target in test_loader: #非enumerate，非迭代器版本，不会返回索引，获取data图像batch和target的labels数值
      output = network(data) #调用network获取output结果

      test_loss += F.nll_loss(output, target, size_average=False).item() #这里计算出这一次的 output和target之间的loss

      pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1] #通过data.max函数获取对应的索引,这是一个索引的数组，因为是一个batch一起预测的
      correct += pred.eq(target.data.view_as(pred)).sum() #如果pred和target数组对应位置比较，计算总共相等的位置的数量
  test_loss /= len(test_loader.dataset) #计算平均的loss
  test_losses.append(test_loss) #将这一次的平均loss加入到test_losses数组中
  
  #输出：
  #这一次的平均loss,总数中正确预测的数目，正确率
  print('\nTest set: Avg. loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(
    test_loss, correct, len(test_loader.dataset),
    100. * correct / len(test_loader.dataset)))
    
#test()#调用上述定义的test函数

#再调用一次test()
test()
for epoch in range(1, n_epochs + 1): #调用n_epochs个数的train和测试结果
  train(epoch)
  test()

#下面对上述获取到的数据进行图像的绘制
#绘制图像一开始出错了，我怀疑是我多进行了一次test(),导致x和y的大小不对应
import matplotlib.pyplot as plt
fig = plt.figure()       #创建figure对象 
plt.plot(train_counter, train_losses, color='blue') #绘制曲线图，x是train计数，y是trainloss
#plt.scatter(test_counter, test_losses, color='red') #绘制散点图,x是test_counter计数，y是test_losses数据
plt.legend(['Train Loss', 'Test Loss'], loc='upper right')
plt.xlabel('number of training examples seen') #x轴标题
plt.ylabel('negative log likelihood loss')     #y轴标题
plt.show() #绘制结果

#抽取几个直观的例子进行测试:

examples = enumerate(test_loader) #获取test_loader的迭代器
batch_idx, (example_data, example_targets) = next(examples) #获取第一个test_loader中的batch
with torch.no_grad():
  output = network(example_data) #将example_data数据通过network得到output
fig = plt.figure() #创建figure对象
for i in range(6): #构建2行3列的图像排列
  plt.subplot(2,3,i+1)
  plt.tight_layout() #紧密排列
  plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray', interpolation='none') #利用imshow输出example图像
  plt.title("Prediction: {}".format(
    output.data.max(1, keepdim=True)[1][i].item())) #输出预测结果,结果非常美妙
  plt.xticks([])
  plt.yticks([])
plt.show() #绘制-这个似乎可以不用

#为了能够持续训练，这里考虑 获取 上一次的 model_dict 和 optim_dict
continued_network = Net()
continued_optimizer = optim.SGD(network.parameters(), lr=learning_rate,
                                momentum=momentum)

network_state_dict = torch.load('model.pth')
continued_network.load_state_dict(network_state_dict)
optimizer_state_dict = torch.load('optimizer.pth')
continued_optimizer.load_state_dict(optimizer_state_dict)

#再接着上面练上6次
for i in range(4, 9):
    test_counter.append(i*len(train_loader.dataset))
    train(i)
    test()

#同样进行图像的绘制
fig = plt.figure()
plt.plot(train_counter, train_losses, color='blue')
plt.scatter(test_counter, test_losses, color='red') #因为之前多test了一次，所以这里应该还是会出错
plt.legend(['Train Loss', 'Test Loss'], loc='upper right')
plt.xlabel('number of training examples seen')
plt.ylabel('negative log likelihood loss')
plt.show()

第一个再vscode完成的神经网络训练，撒花庆祝！！🎉