PyTorch实现手写数字识别的示例代码

目录

• 加载手写数字的数据
• 数据加载器（分批加载）
• 建立模型
• 模型训练
• 测试集抽取数据，查看预测结果
• 计算模型精度
• 自己手写数字进行预测

加载手写数字的数据

组成训练集和测试集，这里已经下载好了，所以download为False

import torchvision

# 是否支持gpu运算
# device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
# print(device)
# print(torch.cuda.is_available())

# 加载训练集的数据  使用torchvision自带的MNIST数据集
train_dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data1',
                                           train=True,
                                           transform=torchvision.transforms.ToTensor(),
                                           download=False
                                           )

# 加载测试集的数据  创建测试集
test_dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data1',
                                          train=False,
                                          transform=torchvision.transforms.ToTensor(),
                                          download=False
                                          )

数据加载器（分批加载）

# 加载数据的批次 一批有多少条数据
batch_size = 100
# 创建数据加载器shuffle为True 加载时打乱
train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset,
                          batch_size=batch_size,
                          shuffle=True
                          )
test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset,
                         batch_size=batch_size,
                         shuffle=True
                         )
# 数据加载器生成的对象转为迭代器
examples = iter(test_loader)
# 使用next方法获取到一批次的数据
example_data, example_targets = examples.next()
# 遍历获取到6条数据 展示观察一下
for i in range(6):
    plt.subplot(2, 3, i + 1)
    plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray')
    # 查看图片的大小 方便建立模型时输入的大小
    print(example_data[i][0].shape)

plt.show()

建立模型

建立模型之前定义输入大小和分类类别输出大小

通过上边查看图片的大小为28*28*1，所以输入大小为784

数字识别只有0~9所以为10个类别的多分类问题

input_size = 784
num_classes = 10

创建模型类

class NeuralNet(torch.nn.Module):
    def __init__(self, n_input_size, hidden_size, n_num_classes):
        """
        神经网络类初始化
        :param n_input_size: 输入
        :param hidden_size: 隐藏层
        :param n_num_classes: 输出
        """
        # 调用父类__init__方法
        super(NeuralNet, self).__init__()
        self.input_size = input_size
        # 第一层线性模型 传入输入层和隐藏层
        self.l1 = torch.nn.Linear(n_input_size, hidden_size)
        # relu激活函数层
        self.relu = torch.nn.ReLU()
        # 第二层线性模型 传入隐藏层和输出层
        self.l2 = torch.nn.Linear(hidden_size, n_num_classes)

    def forward(self, x):
        """
        重写正向传播函数  获取到预测值
        :param x: 数据
        :return: 预测值
        """
        # 线性模型
        out = self.l1(x)
        # 激活函数
        out = self.relu(out)
        # 线性模型2
        out = self.l2(out)
        # 返回预测值
        return out

# 获取到gpu设备
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
# 创建模型并把模型放到当前支持的gpu设备中
model = NeuralNet(input_size, 500, num_classes).to(device)
print(model)

• 可以看出模型一共三层
• 输入层（节点数量和图小大小相同）
• 隐藏层（节点数为500）
• 输出层（输出节点数量为10 0~9）

定义损失函数和优化器

• 因为是多分类问题，所以使用交叉熵函数的多分类损失函数
• 因为传统的梯度下降存在一定缺陷，比如学习速率一直不变，所以使用PyTorch中梯度下降的优化算法Adam算法

# 定义学习率
learning_rate = 0.01
# 损失函数
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
# 定义优化器 参数1为模型的参数 lr为学习率
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)

模型训练

训练步骤:

• 通过模型类正向传播获取到预测结果
• 通过损失函数传入预测结果和真实值计算损失
• 通过反向传播获取梯度
• 通过梯度下降更新模型参数的权重
• 梯度清空，防止下次梯度累加
• 循环，降低损失为我们想要的结果（提高模型精度）

# 定义训练的次数
num_epochs = 10
# 训练集数据的总长度
total_steps = len(train_loader)
# 遍历训练次数
for epoch in range(num_epochs):
    # 每次从数据加载器中取出一批数据  每批次100条
    for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
        # 把图片降维到一维数组  加载到gpu
        images = images.reshape(-1, 28 * 28).to(device)
        # 真实值加载到gpu
        labels = labels.to(device)
        # 正向传播 获取到预测值
        outputs = model(images)
        # 通过损失函数获取到损失值
        loss_val = criterion(outputs, labels)
        # 清空梯度
        optimizer.zero_grad()
        # 进行反向传播
        loss_val.backward()
        # 梯度下降更新参数
        optimizer.step()
        # 打印每次训练的损失值
        if i % 100 == 0:
            print(f'Loss:{loss_val.item():.4f}')

print('训练完成')
# 训练完之后保存模型
torch.save(model.state_dict(), './last.pt')

• 损失值很明显的在收敛
• 生成了pt模型文件

测试集抽取数据，查看预测结果

# 把测试集的数据加载器转为生成器
examples = iter(test_loader)
# next()方法获取一批数据
example_data, example_targets = examples.next()

# 拿出前三条
for i in range(3):
    # 画图展示
    plt.subplot(1, 3, i + 1)
    plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray')
plt.show()

images = example_data
# 图片将为加载到GPU
images = images.reshape(-1, 28 * 28).to(device)
# 正向传播获取预测结果
outputs = model(images)
# 打印结果 detach()方法结果不会计算梯度更新 转为numpy
print(f'真实结果:{example_targets[0:3].detach().numpy()}')
# 预测完的结果为10个数字的概率 使用argmax()根据行归一化并求自变量的概率最大值
print(f'预测结果:{np.argmax(outputs[0:3].cpu().detach().numpy(), axis=1)}')

计算模型精度

# 用测试集的数据,校验模型的准确率
with torch.no_grad():
    n_correct = 0
    n_samples = 0
    # 取出测试集数据
    for images, labels in test_loader:
        # 和训练代码一致
        images = images.reshape(-1, 28 * 28).to(device)
        labels = labels.to(device)
        outputs = model(images)

        # 返1 最大值 返2 索引                0每列最大值  1每行最大值
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        n_samples += labels.size(0)
        n_correct += (predicted == labels).sum().item()
    # 计算模型精度
    acc = 100.0 * n_correct / n_samples
    print(f"准确率:{acc}%")

自己手写数字进行预测

import cv2
import numpy as np

import torch

from 手写数字神经网络结构 import NeuralNet

# 获取到gpu设备
device = torch.device('cuda')
# 加载保存好的模型
input_size = 784
num_classes = 10
model = NeuralNet(input_size, 500, num_classes)
# 因为保存模型时在GPU所以要指定map_location='cuda:0'
model.load_state_dict(torch.load('./last.pt', map_location='cuda:0'))
# 加载到gpu上
model.to(device)

# 局域内不计算梯度
with torch.no_grad():
    # cv2读取图片 灰度方式
    images = cv2.imread('./number_four.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    # 使用大津算法进行二值化处理 并反转
    ret, thresh_img = cv2.threshold(images, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV | cv2.THRESH_OTSU)
    # 展示处理过后的图片
    cv2.imshow('png1', thresh_img)
    cv2.waitKey()
    # 图片降维 把拍的图片降维到和训练时的图片大小一样
    my_image = cv2.resize(thresh_img, (28, 28))
    # 转为numpy
    my_image = np.array(my_image, np.float32)
    # 转为torch的张量
    my_image = torch.from_numpy(my_image)
    # 降维
    my_image = my_image.reshape(-1, 28 * 28).to(device)
    # 正向传播获取预测值
    outputs = model(my_image)
    # 取出预测结果
    pred = np.argmax(outputs.cpu().detach().numpy(), axis=1)
    print(f'预测结果为：{pred[0]}')

到此这篇关于PyTorch实现手写数字识别的示例代码的文章就介绍到这了,更多相关PyTorch 手写数字识别内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！