P1周：Minist手写识别

目标

• 了解Pytorch
• 手敲简易的深度学习代码
• 弄清函数方法

一、前期准备

1.引入库及前期设置

importtorchimporttorch.nnasnnimportmatplotlib.pyplotaspltimporttorchvisionimportnumpyasnpfromdatetimeimportdatetime plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']# 用来正常显示中文标签plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False# 用来正常显示负号plt.rcParams['figure.dpi']=100#分辨率MODE="train"device=torch.device("cuda"iftorch.cuda.is_available()else"cpu")print(device)

代码输出：

D:\conda\envs\yolo_env\python.exe D:\deeplearning\minist\main.py cuda

2.导入数据

##下载数据集##root是保存地址，torchvision.transforms是pytorch的图像处理箱##Tensor为张量，一个数组，格式为（通道C × 高H × 宽W），#正常图片为（(高H × 宽W × 通道C)，img[0,2,3]表示第二行第三列为黑色，##表层的通道就是不同颜色，img[1, 2, 3] = 0.3←这像素的绿色强度train_ds=torchvision.datasets.MNIST(root='D:/deeplearning/minist/data',train=True,download=True,transform=torchvision.transforms.ToTensor())test_ds=torchvision.datasets.MNIST(root='D:/deeplearning/minist/data',train=False,download=True,transform=torchvision.transforms.ToTensor())##引入数据加载器，用于对数据集进行抽取一批次一批次的样本##形参说明：dataset为样本从哪个数据集抽取，batch_size为每批次抽取数量，sampler为高级抽法# shuffle为打乱抽取，num_workers在windows取0，drop_last为最后一批不足时，是否丢弃batchsize=32train_dl=torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_ds,batch_size=batchsize,shuffle=True,num_workers=0,drop_last=False)test_dl=torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_ds,batch_size=batchsize)# #把train_dl变成迭代器 ，imgs.shape即张量形状[32,1,28,28]imgs,labels=next(iter(train_dl))

3.数据可视化

#matplotlib.pyplot as plt ,创建画布,后面plt.imshow的内容会呈现在画布上ifMODE=="train":plt.figure(figsize=(20,5))fori,imgsinenumerate(imgs[:20]):##张量形状[20,1,28,28] 单张[1,28,28]npimg=np.squeeze(imgs.numpy())##维度缩减 [1,28,28]→ [28,28]，把pt张量变为numpy数组，移除为1的维度plt.subplot(2,10,i+1)##行2*列10的网格，激活第i+1个格子（从1开始，从左往右，从上往下）plt.imshow(npimg,cmap=plt.cm.binary)##plt.imshow（data,cmap）cmap是颜色规则plt.axis('off')##隐藏坐标轴plt.show()##用于展示画布

二、CNN网络构建

importtorch.nn.functionalasF##函数APInum_class=10classModel(nn.Module):##继承自父类 nn.Moduledef__init__(self):## 构造函数super().__init__()## 调用父类的构造函数#特征提取网络 ##参数计算通用公式：输出尺寸 = 输入尺寸 - 卷积核尺寸 + 1self.conv1=nn.Conv2d(1,32,kernel_size=3)#输入1通道，输出32个特征图 [1,28,28]→[32,26,26] 26=28-3+1self.pool1=nn.MaxPool2d(2)#2*2窗口，尺寸减半 [32,26,26]→[32,13,13] 13=26/2self.conv2=nn.Conv2d(32,64,kernel_size=3)#[32,13,13]→[64,11,11] 13-3+1=11self.pool2=nn.MaxPool2d(2)##[64,11,11]→[64,5,5] 11//2=5#分类网络self.fc1=nn.Linear(1600,64)##1600个输入特征数怎么来的：64*5*5self.fc2=nn.Linear(64,num_class)defforward(self,x):x=self.pool1(F.relu(self.conv1(x)))x=self.pool2(F.relu(self.conv2(x)))x=torch.flatten(x,start_dim=1)##torch.flatten(x,start_dim=1)：# start_dim=1 表示从第1维开始压平。# 把64个5*5的列表一共1600个输入特征拉成一个1600维的向量，就像把一个表格的每个格子里的数字抄成一长行# 第 0 维是 batch（批次），必须保留：x=F.relu(self.fc1(x))x=self.fc2(x)returnx##看清模型架构，每层的参数 conv2d 1-1: 1*3*3*32=288 288+32=320#conv2d 1-3: 32*3*3*64=18432 18432+64=18496# from torchinfo import summarymodel=Model().to(device)##实例化模型并且搬到gpu##summary(model)

三、训练模型

1.设置超参数

loss_fn=nn.CrossEntropyLoss()##交叉熵损失函数learning_rate=0.001opt=torch.optim.SGD(model.parameters(),lr=learning_rate)## optimizer(优化器)创建一个SGD优化器（随机梯度下降），## model.parameters() — 告诉优化器要去更新模型里的哪些参数

2.编写训练函数

deftrain(dataloader,model,loss_fn,optimizer):size=len(dataloader.dataset)num_batches=len(dataloader)train_loss,train_acc=0,0forX,yindataloader:X,y=X.to(device),y.to(device)pred=model(X)#网络输出# pred 的形状是 [32, 10]，每列代表的是一种数字的概率，每行代表的是一张图片它的数字概率分布###前面 model=Model().to(device),model是Model的对象，Model继承了父类Module.nn ,# Module.nn包含了.__call__()方法，所以model(X)==model.forward(X)loss=loss_fn(pred,y)#计算损失一张图的概率[2.0,1.0,0.1]，softmax，[0.659,0.242,0.099],比如第一列为正确标签，# 将第一列作负对数，-log(0.659)=0.417 以此得到32张图的负对数，相加/32=loss#也就是说交叉熵只关心正确类别的概率，希望越大越好#必要步骤optimizer.zero_grad()##梯度清零loss.backward()##反向传播##链式法则：y=wx x=3 y_true=6 y_pred=w*x=1*x=3 损失函数=(y_pred-y_true)^2=9#我们想知道w变化，loss如何变化,# 即d(loss)/d(w),d(loss)/d(y_pred)*d(y_pred)/d(w)=-6*3=-18(-18即为梯度),,optimizer.step()##自动更新 # 新w=旧w-lr*梯度=1.18 故y_pred=1.18*3=3.54train_acc+=(pred.argmax(1)==y).type(torch.float).sum().item()## pred.argmax（1） 对每行，找出最大概率在第几列，返回列的索引##假设这批 32 张图中，y 的真实标签和 pred 的预测结果如下：#真实标签 y: [3, 7, 1, 0, 9, ...] (32个)#pred.argmax(1): [3, 7, 0, 0, 9, ...] (32个，第3个预测错了)# == 比较: [T, T, F, T, T, ...] (31个True, 1个False)# .float(): [1.0, 1.0, 0.0, 1.0, 1.0, ...]#.sum(): [31.0] (这张卡32张图，对了31张)#.item(): 31 标量值train_loss+=loss.item()##.item()把标量张量的数值提取出来train_acc/=size#一个epoch的准确率train_loss/=num_batches#一个epoch的损失率returntrain_loss,train_acc

3.编写测试函数

##编写测试函数deftest(dataloader,model,loss_fn):##测试函数只用于测试，不反向传播，所以不用优化器size=len(dataloader.dataset)num_batches=len(dataloader)test_loss,test_acc=0,0withtorch.no_grad():forX,yindataloader:X,y=X.to(device),y.to(device)#计算损失target_pred=model(X)loss=loss_fn(target_pred,y)test_loss+=loss.item()test_acc+=(target_pred.argmax(1)==y).type(torch.float).sum().item()test_acc/=size test_loss/=num_batchesreturntest_loss,test_acc

四、正式训练

1.训练模型

##正式训练ifMODE=="train":epochs=20train_loss,train_acc,test_loss,test_acc=[],[],[],[]forepochinrange(epochs):model.train()##测试模式，模型Dropout启用，BatchNorm 层：使用当前 batch 的均值和方差进行标准化，并更新其内部的运行均值和方差epoch_train_loss,epoch_train_acc=train(train_dl,model,loss_fn,opt)train_loss.append(epoch_train_loss)train_acc.append(epoch_train_acc)model.eval()##评估模式，Dropout 层：关闭（不再随机丢弃神经元） BatchNorm 层：使用训练时记录的均值和方差，不再更新epoch_test_loss,epoch_test_acc=test(test_dl,model,loss_fn)test_loss.append(epoch_test_loss)test_acc.append(epoch_test_acc)template=('Epoch:{:2d},Train_acc{:.1f}%,Train_loss:{:.3f},Test_acc{:.1f}%,Test_loss:{:.3f}')print(template.format(epoch+1,train_acc[-1]*100,train_loss[-1],test_acc[-1]*100,test_loss[-1]))print("Done")torch.save(model.state_dict(),"D:/deeplearning/minist/model.pth")###保存训练好的权重参数

2.可视化图表

###############可视化############current_time=datetime.now()# 获取当前时间epochs_range=range(epochs)plt.figure(figsize=(12,3))plt.subplot(1,2,1)plt.plot(epochs_range,train_acc,label='Training Accuracy')plt.plot(epochs_range,test_acc,label='Test Accuracy')plt.legend(loc='lower right')##plt.title('Training and Validation Accuracy')plt.xlabel(current_time)# 时间戳plt.subplot(1,2,2)plt.plot(epochs_range,train_loss,label='Training Loss')plt.plot(epochs_range,test_loss,label='Test Loss')plt.legend(loc='upper right')plt.title('Training and Validation Loss')plt.show()###########可视化###############

3.模型测试

elifMODE=="test":# ===== 测试模式：加载权重 → 评估 → 可视化 =====model.load_state_dict(torch.load("D:/deeplearning/minist/model.pth"))model.eval()# 可视化 10 张图（和 use.py 一样）plt.figure(figsize=(15,5))foriinrange(10):img,label=test_ds[i]pred_label=model(img.unsqueeze(0).to(device)).argmax(1).item()plt.subplot(2,5,i+1)plt.imshow(img.squeeze(),cmap="gray")color="green"ifpred_label==labelelse"red"plt.title(f"truth:{label}predict:{pred_label}",color=color)plt.axis("off")plt.show()

问题总结

为什么只选中部分代码执行到控制台，不在选中代码中的变量也都能用？

原因：之前已经完整运行过整个 .py 文件，所有变量早已驻留在控制台内存中

• 关键：Python 控制台维护持久化内存命名空间，执行选区只是新增/覆盖变量，不会清除已有变量
  验证：重启控制台后只执行前文代码，后文的变量就会报NameError

相对路径的工作目录问题，数据集下载的相对路径与想象的相对路径总是不同

原因：./data 不是相对于 main.py 的位置，而是相对于Python 进程的当前工作目录

• 验证：import os; print(os.getcwd())
• 修复：改成绝对路径

数据集维度问题总结

核心要点：

1. ToTensor()：负责[H, W]→[C, H, W]的转换，并归一化像素值到[0, 1]。
2. DataLoader：负责[C, H, W]→[B, C, H, W]的转换，即组织成批次。
3. unsqueeze(0)：当需要将单张图片输入模型进行预测时，必须手动补上批次维度B，否则会因维度不匹配而报错。

整体工作流程总结

本 MNIST 手写识别项目的完整流程可概括为：首先进行环境与数据准备，包括导入必要的 PyTorch 库、设置计算设备、下载 MNIST 数据集并通过ToTensor()和DataLoader进行预处理与批次加载；接着构建一个包含卷积层、池化层和全连接层的 CNN 模型；然后定义交叉熵损失函数和 SGD 优化器，并编写训练与测试函数；随后进入训练循环，在多个 epoch 中交替进行训练（前向传播、损失计算、反向传播、参数更新）和评估，同时保存训练好的模型权重；最后，在测试模式下加载模型对测试集样本进行预测，并通过可视化图表展示预测结果与训练过程曲线，从而完成从数据到模型训练再到评估的端到端深度学习流程。

1. 环境与数据准备

• 引入库：导入torch、torch.nn、torchvision、matplotlib等核心库。
• 设置设备：检测并指定使用 GPU (cuda) 或 CPU 进行计算。
• 下载与加载数据：
  1. 使用torchvision.datasets.MNIST下载 MNIST 训练集和测试集。
  2. 通过torchvision.transforms.ToTensor()将图片数据转换为 PyTorch 张量，并自动归一化像素值到 [0, 1] 区间。
  3. 使用torch.utils.data.DataLoader将数据集封装成可按批次 (batch_size) 迭代的数据加载器，便于训练时高效读取。

2. 模型构建

• 定义网络结构：创建一个继承自nn.Module的Model类。
• 特征提取部分：使用两个Conv2d（卷积层）和MaxPool2d（最大池化层）的组合，逐步提取图像特征并降低空间维度。
• 分类部分：使用Linear（全连接层）将提取的特征映射到 10 个类别（数字 0-9）的输出。
• 实例化模型：创建Model实例，并通过.to(device)将其移动到指定的计算设备上。

3. 训练准备

• 定义损失函数：使用nn.CrossEntropyLoss()（交叉熵损失函数）来衡量模型预测与真实标签之间的差距。
• 定义优化器：使用torch.optim.SGD（随机梯度下降优化器）来根据损失函数的梯度更新模型的参数。
• 编写训练/测试函数：
  • train函数：在一个 epoch 内，遍历训练数据加载器，完成前向传播、损失计算、反向传播和参数更新，并计算该 epoch 的平均训练损失和准确率。
  • test函数：在一个 epoch 内，遍历测试数据加载器，完成前向传播和损失计算（不更新参数），并计算该 epoch 的平均测试损失和准确率。

4. 模型训练与评估

• 循环训练：设置训练轮数 (epochs)，在每一轮中：
  1. 调用model.train()将模型设置为训练模式。
  2. 调用train函数在训练集上进行一次完整的训练，得到本轮训练指标。
  3. 调用model.eval()将模型设置为评估模式。
  4. 调用test函数在测试集上进行一次完整的评估，得到本轮测试指标。
  5. 打印并记录本轮训练和测试的损失与准确率。
• 保存模型：训练完成后，使用torch.save将训练好的模型权重（state_dict）保存到本地文件（如model.pth）。

5. 模型测试与可视化

• 加载与测试：在测试模式下 (MODE=="test")：
  1. 使用torch.load加载之前保存的模型权重。
  2. 从测试集中抽取若干样本，通过模型进行预测。
  3. 将预测结果与真实标签对比，并使用matplotlib可视化展示，绿色标题表示预测正确，红色表示错误。
• 训练过程可视化：在训练模式下 (MODE=="train")，使用matplotlib绘制训练和测试的准确率、损失曲线随 epoch 变化的图表，用于分析模型的学习情况。