使用Pytorch搭建模型的步骤

  本来是只用Tenorflow的,但是因为TF有些Numpy特性并不支持,比如对数组使用列表进行切片,所以只能转战Pytorch了(pytorch是支持的)。还好Pytorch比较容易上手,几乎完美复制了Numpy的特性(但还有一些特性不支持),怪不得热度上升得这么快。

1  模型定义

  和TF很像,Pytorch也通过继承父类来搭建自定义模型,同样也是实现两个方法。在TF中是__init__()和call(),在Pytorch中则是__init__()和forward()。功能类似,都分别是初始化模型内部结构和进行推理。其它功能比如计算loss和训练函数,你也可以继承在里面,当然这是可选的。下面搭建一个判别MNIST手写字的Demo,首先给出模型代码:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt 
import torch 
from torch import nn,optim 
from torchsummary import summary 
from keras.datasets import mnist
from keras.utils import to_categorical
device = torch.device('cuda') #——————1——————
 
class ModelTest(nn.Module):
 def __init__(self,device):
  super().__init__() 
  self.layer1 = nn.Sequential(nn.Flatten(),nn.Linear(28*28,512),nn.ReLU())#——————2——————
  self.layer2 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU()) 
  self.layer3 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU())
  self.layer4 = nn.Sequential(nn.Linear(512,10),nn.Softmax()) 

  self.to(device) #——————3——————
  self.opt = optim.SGD(self.parameters(),lr=0.01)#——————4——————
 def forward(self,inputs): #——————5——————
  x = self.layer1(inputs)
  x = self.layer2(x)
  x = self.layer3(x)
  x = self.layer4(x)
  return x 
 def get_loss(self,true_labels,predicts): 
  loss = -true_labels * torch.log(predicts) #——————6——————
  loss = torch.mean(loss)
  return loss
 def train(self,imgs,labels): 
  predicts = model(imgs) 
  loss = self.get_loss(labels,predicts)
  self.opt.zero_grad()#——————7——————
  loss.backward()#——————8——————
  self.opt.step()#——————9——————
model = ModelTest(device)
summary(model,(1,28,28),3,device='cuda') #——————10——————

  #1:获取设备,以方便后面的模型与变量进行内存迁移,设备名只有两种:'cuda'和'cpu'。通常是在你有GPU的情况下需要这样显式进行设备的设置,从而在需要时,你可以将变量从主存迁移到显存中。如果没有GPU,不获取也没事,pytorch会默认将参数都保存在主存中。

  #2:模型中层的定义,可以使用Sequential将想要统一管理的层集中表示为一层。

  #3:在初始化中将模型参数迁移到GPU显存中,加速运算,当然你也可以在需要时在外部执行model.to(device)进行迁移。

  #4:定义模型的优化器,和TF不同,pytorch需要在定义时就将需要梯度下降的参数传入,也就是其中的self.parameters(),表示当前模型的所有参数。实际上你不用担心定义优化器和模型参数的顺序问题,因为self.parameters()的输出并不是模型参数的实例,而是整个模型参数对象的指针,所以即使你在定义优化器之后又定义了一个层,它依然能优化到。当然优化器你也可以在外部定义,传入model.parameters()即可。这里定义了一个随机梯度下降。

  #5:模型的前向传播,和TF的call()类似,定义好model()所执行的就是这个函数。

  #6:我将获取loss的函数集成在了模型中,这里计算的是真实标签和预测标签之间的交叉熵。

  #7/8/9:在TF中,参数梯度是保存在梯度带中的,而在pytorch中,参数梯度是各自集成在对应的参数中的,可以使用tensor.grad来查看。每次对loss执行backward(),pytorch都会将参与loss计算的所有可训练参数关于loss的梯度叠加进去(直接相加)。所以如果我们没有叠加梯度的意愿的话,那就要在backward()之前先把之前的梯度删除。又因为我们前面已经把待训练的参数都传入了优化器,所以,对优化器使用zero_grad(),就能把所有待训练参数中已存在的梯度都清零。那么梯度叠加什么时候用到呢?比如批量梯度下降,当内存不够直接计算整个批量的梯度时,我们只能将批量分成一部分一部分来计算,每算一个部分得到loss就backward()一次,从而得到整个批量的梯度。梯度计算好后,再执行优化器的step(),优化器根据可训练参数的梯度对其执行一步优化。

  #10:使用torchsummary函数显示模型结构。奇怪为什么不把这个继承在torch里面,要重新安装一个torchsummary库。

2  训练及可视化

  接下来使用模型进行训练,因为pytorch自带的MNIST数据集并不好用,所以我使用的是Keras自带的,定义了一个获取数据的生成器。下面是完整的训练及绘图代码(50次迭代记录一次准确率):

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt 
import torch 
from torch import nn,optim 
from torchsummary import summary 
from keras.datasets import mnist
from keras.utils import to_categorical
device = torch.device('cuda') #——————1——————
 
class ModelTest(nn.Module):
 def __init__(self,device):
  super().__init__() 
  self.layer1 = nn.Sequential(nn.Flatten(),nn.Linear(28*28,512),nn.ReLU())#——————2——————
  self.layer2 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU()) 
  self.layer3 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU())
  self.layer4 = nn.Sequential(nn.Linear(512,10),nn.Softmax()) 

  self.to(device) #——————3——————
  self.opt = optim.SGD(self.parameters(),lr=0.01)#——————4——————
 def forward(self,inputs): #——————5——————
  x = self.layer1(inputs)
  x = self.layer2(x)
  x = self.layer3(x)
  x = self.layer4(x)
  return x 
 def get_loss(self,true_labels,predicts): 
  loss = -true_labels * torch.log(predicts) #——————6——————
  loss = torch.mean(loss)
  return loss
 def train(self,imgs,labels): 
  predicts = model(imgs) 
  loss = self.get_loss(labels,predicts)
  self.opt.zero_grad()#——————7——————
  loss.backward()#——————8——————
  self.opt.step()#——————9——————
def get_data(device,is_train = True, batch = 1024, num = 10000):
 train_data,test_data = mnist.load_data()
 if is_train:
  imgs,labels = train_data
 else:
  imgs,labels = test_data 
 imgs = (imgs/255*2-1)[:,np.newaxis,...]
 labels = to_categorical(labels,10) 
 imgs = torch.tensor(imgs,dtype=torch.float32).to(device)
 labels = torch.tensor(labels,dtype=torch.float32).to(device)
 i = 0
 while(True):
  i += batch
  if i > num:
   i = batch 
  yield imgs[i-batch:i],labels[i-batch:i] 
train_dg = get_data(device, True,batch=4096,num=60000) 
test_dg = get_data(device, False,batch=5000,num=10000) 

model = ModelTest(device) 
summary(model,(1,28,28),11,device='cuda') 
ACCs = []
import time
start = time.time()
for j in range(20000):
 #训练
 imgs,labels = next(train_dg)
 model.train(imgs,labels)

 #验证
 img,label = next(test_dg)
 predicts = model(img) 
 acc = 1 - torch.count_nonzero(torch.argmax(predicts,axis=1) - torch.argmax(label,axis=1))/label.shape[0]
 if j % 50 == 0:
  t = time.time() - start
  start = time.time()
  ACCs.append(acc.cpu().numpy())
  print(j,t,'ACC: ',acc)
#绘图
x = np.linspace(0,len(ACCs),len(ACCs))
plt.plot(x,ACCs)

  准确率变化图如下:

使用Pytorch搭建模型的步骤_第1张图片

3  其它使用技巧

3.1  tensor与array

  需要注意的是,pytorch的tensor基于numpy的array,它们是共享内存的。也就是说,如果你把tensor直接插入一个列表,当你修改这个tensor时,列表中的这个tensor也会被修改;更容易被忽略的是,即使你用tensor.detach.numpy(),先将tensor转换为array类型,再插入列表,当你修改原本的tensor时,列表中的这个array也依然会被修改。所以如果我们只是想保存tensor的值而不是整个对象,就要使用np.array(tensor)将tensor的值复制出来。

3.2  自定义层

  在TF中,自定义模型通常继承keras的Model,而自定义层则是继承layers.Layer,继承不同的父类通常会造成初学者的困扰。而在pytorch中,自定义层与自定义模型一样,都是继承nn.Module。Pytorch将层与模型都看成了模块,这很容易理解。的确,层与模型之间本来也没有什么明确的界限。并且定义方式与上面定义模型的方式一样,也是实现两个函数即可。代码示例如下:

import torch  
from torch import nn 

class ParaDeconv(nn.Module):#——————1——————
 def __init__(self,in_n,out_n):
  super().__init__() 
  self.w = nn.Parameter(torch.normal(0,0.01,size = [in_n,out_n]),requires_grad=True)
  self.b = nn.Parameter(torch.normal(0,0.01,size = [out_n]),requires_grad=True) 
 def forward(self,inputs):
  x = torch.matmul(inputs,self.w)
  x = x + self.b
  return x 
layer = ParaDeconv(2,3)
y = layer(torch.ones(100,2))#——————2——————
loss = torch.sum(y)#——————3——————
loss.backward()#——————4——————
for i in layer.parameters():#——————5——————
 print(i.grad)#——————6——————

  #1:自定义一个全连接层。层中可训练参数的定义是使用nn.Parameter,如果直接使用torch.tensor是无法在#5中遍历到的。

  #2/3/4:输入并计算loss,然后反向传播计算参数梯度。

  #5/6:输出完成反向传播后层参数的梯度。

  以上定义的层可以和pytorch自带的层一样直接插入模型中使用。

3.3  保存/加载

3.3.1  保存/加载模型

  有两种方式,一种是保存模型的参数:

torch.save(model.state_dict(), PATH)         #保存  
model.load_state_dict(torch.load(PATH),strict=True) #加载

  这种加载方式需要先定义模型,然后再加载参数。如果你定义的模型参数名与保存的参数对不上,就会出错。但如果把strict修改成False,不严格匹配,它就会只匹配对应上的键值,不会因多出或缺少的参数而报错。

  另一种是直接保存模型:

torch.save(model, PATH) #保存
model = torch.load(PATH) #加载

  这种方式看似方便,实际上更容易出错。因为python不能保存整个模型的类,所以它只能保存定义类的代码文件位置,以在加载时获取类的结构。如果你改变了定义类的代码位置,就有可能因为找不到类而出错。

3.3.2  保存训练点
  当你要保存某个训练阶段的状态,比如包含优化器参数、模型参数、训练迭代次数等,可以进行如下操作:

#保存训练点
torch.save({
      'epoch': epoch,
      'model_state_dict': model.state_dict(),
      'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
      'loss': loss
      }, PATH)
#加载训练点
model = TheModelClass(*args, **kwargs)
optimizer = TheOptimizerClass(*args, **kwargs)

checkpoint = torch.load(PATH)

model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict'])
epoch = checkpoint['epoch']
loss = checkpoint['loss']

  和保存模型一样,也是使用torch.save()。它很灵活,可以保存字典,因此读取的时候也按照字典索引读取即可。当然要注意,并不是任何类型都能保存的,这里保存的四个类型分别是:

  1. int

  2. collections.OrderedDict

  3. collections.OrderedDict

  4. list 

3.4  修改模型参数

  Pytorch没有提供额外的方式让我们修改模型参数,我们可以使用上面加载模型参数的方式来修改参数。对于某个参数,我们只要把键值和对应要修改的值放在字典中传入load_state_dict即可。如果没传入所有的参数,记得把strict设为False。示例如下:

model.load_state_dict({'weight':torch.tensor([0.])},strict=False) #修改模型参数

  参数名,也就是键值,和对应的参数shape可以通过model.state_dict()查看。

以上就是使用Pytorch搭建模型的步骤的详细内容,更多关于Pytorch搭建模型的资料请关注脚本之家其它相关文章!

你可能感兴趣的