PyTorch深度学习：60分钟入门(Translation)

这是https://zhuanlan.zhihu.com/p/25572330的学习笔记。

Tensors

Tensors和numpy中的ndarrays较为相似, 因此Tensor也能够使用GPU来加速运算。

from __future__ import print_function

import torch

x = torch.Tensor(5, 3)  # 构造一个未初始化的5*3的矩阵

x = torch.rand(5, 3)  # 构造一个随机初始化的矩阵

x # 此处在notebook中输出x的值来查看具体的x内容

x.size()

#NOTE: torch.Size 事实上是一个tuple, 所以其支持相关的操作*

y = torch.rand(5, 3)

#此处 将两个同形矩阵相加有两种语法结构

x + y # 语法一

torch.add(x, y) # 语法二

# 另外输出tensor也有两种写法

result = torch.Tensor(5, 3) # 语法一

torch.add(x, y, out=result) # 语法二

y.add_(x) # 将y与x相加

# 特别注明：任何可以改变tensor内容的操作都会在方法名后加一个下划线'_'

# 例如：x.copy_(y), x.t_(), 这俩都会改变x的值。

#另外python中的切片操作也是资次的。

x[:,1] #这一操作会输出x矩阵的第二列的所有值

http://pytorch.org/docs/master/torch.html

tensors的100+种用法。

CUDA(Compute Unified Device Architecture)，是显卡厂商NVIDIA推出的运算平台。 CUDA™是一种由NVIDIA推出的通用并行计算架构，该架构使GPU能够解决复杂的计算问题。

Numpy桥

将Torch的Tensor和numpy的array相互转换简直就是洒洒水啦。注意Torch的Tensor和numpy的array会共享他们的存储空间，修改一个会导致另外的一个也被修改。

# 此处演示tensor和numpy数据结构的相互转换

a = torch.ones(5)

b = a.numpy()

# 此处演示当修改numpy数组之后,与之相关联的tensor也会相应的被修改

a.add_(1)

print(a)

print(b)

# 将numpy的Array转换为torch的Tensor

import numpy as np

a = np.ones(5)

b = torch.from_numpy(a)

np.add(a, 1, out=a)

print(a)

print(b)

# 另外除了CharTensor之外，所有的tensor都可以在CPU运算和GPU预算之间相互转换

# 使用CUDA函数来将Tensor移动到GPU上

# 当CUDA可用时会进行GPU的运算

if torch.cuda.is_available():

    x = x.cuda()

    y = y.cuda()

    x + y

PyTorch中的神经网络

接下来介绍pytorch中的神经网络部分。PyTorch中所有的神经网络都来自于autograd包

首先我们来简要的看一下，之后我们将训练我们第一个的神经网络。

Autograd: 自动求导

autograd 包提供Tensor所有操作的自动求导方法。
这是一个运行时定义的框架，这意味着你的反向传播是根据你代码运行的方式来定义的，因此每一轮迭代都可以各不相同。

以这些例子来讲，让我们用更简单的术语来看看这些特性。

autograd.Variable 这是这个包中最核心的类。它包装了一个Tensor，并且几乎支持所有的定义在其上的操作。一旦完成了你的运算，你可以调用 .backward()来自动计算出所有的梯度。

你可以通过属性 .data 来访问原始的tensor，而关于这一Variable的梯度则集中于 .grad 属性中。

还有一个在自动求导中非常重要的类 Function。

Variable 和 Function 二者相互联系并且构建了一个描述整个运算过程的无环图。每个Variable拥有一个 .creator 属性，其引用了一个创建Variable的 Function。(除了用户创建的Variable其 creator 部分是 None)。

如果你想要进行求导计算，你可以在Variable上调用.backward()。如果Variable是一个标量（例如它包含一个单元素数据），你无需对backward()指定任何参数，然而如果它有更多的元素，你需要指定一个和tensor的形状想匹配的grad_output参数。

from torch.autograd import Variable

x = Variable(torch.ones(2, 2), requires_grad = True)

y = x + 2

y.creator

# y 是作为一个操作的结果创建的因此y有一个creator

z = y * y * 3

out = z.mean()

# 现在我们来使用反向传播

out.backward()

# out.backward()和操作out.backward(torch.Tensor([1.0]))是等价的

# 在此处输出 d(out)/dx

x.grad

最终得出的结果应该是一个全是4.5的矩阵。设置输出的变量为o。我们通过这一公式来计算：

$o = \frac{1}{4}\sum_i z_i$ ， $z_i = 3(x_i+2)^2$ ， $z_i\bigr\rvert_{x_i=1} = 27$ ，因此， $\frac{\partial o}{\partial x_i} = \frac{3}{2}(x_i+2)$ ，最后有 $\frac{\partial o}{\partial x_i}\bigr\rvert_{x_i=1} = \frac{9}{2} = 4.5$

你可以使用自动求导来做许多疯狂的事情。

x = torch.randn(3)

x = Variable(x, requires_grad = True)

y = x * 2

while y.data.norm() < 1000:

    y = y * 2

gradients = torch.FloatTensor([0.1, 1.0, 0.0001])  //float是类型。

y.backward(gradients)  //

x.grad //返回y关于x的梯度向量

神经网络

使用 torch.nn 包可以进行神经网络的构建。

现在你对autograd有了初步的了解，而nn建立在autograd的基础上来进行模型的定义和微分。

nn.Module中包含着神经网络的层，同时forward(input)方法能够将output进行返回。 //看不懂

举个例子，来看一下这个数字图像分类的神经网络。

这是一个简单的前馈神经网络。从前面获取到输入的结果，从一层传递到另一层，最后输出最后结果。

一个典型的神经网络的训练过程是这样的：

定义一个有着可学习的参数（或者权重）的神经网络
对着一个输入的数据集进行迭代:
- 用神经网络对输入进行处理
- 计算代价值 (对输出值的修正到底有多少)
- 将梯度传播回神经网络的参数中
- 更新网络中的权重
  - 通常使用简单的更新规则: weight = weight + learning_rate * gradient

让我们来定义一个神经网络import torch.nn as nn

import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):

    def __init__(self):

        super(Net, self).__init__()

        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5) # 1 input image channel, 6 output channels, 5x5 square convolution kernel

        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)

        self.fc1   = nn.Linear(16*5*5, 120) # an affine operation: y = Wx + b
　　　　　　　　 FC(Full-connected)层

F6层：

输入图片大小： (1*1)*120

卷积窗大小： 1*1

卷积窗种类： 84

输出特征图数量： 1

输出特征图大小： 84

神经元数量： 84

连接数： 10164 120*84+84

可训练参数： 10164 120*84+84

F6层有84个单元（之所以选这个数字的原因来自于输出层的设计），与C5层全相连。有10164个可训练参数。如同经典神经网络，F6层计算输入向量和权重向量之间的点积，再加上一个偏置。然后将其传递给sigmoid函数产生单元i的一个状态。

        self.fc2   = nn.Linear(120, 84)

        self.fc3   = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):

        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2)) # Max pooling over a (2, 2) window

        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2) # If the size is a square you can only specify a single number                         //看不懂

        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))

        x = F.relu(self.fc1(x))

        x = F.relu(self.fc2(x))

        x = self.fc3(x)

        return x

    def num_flat_features(self, x):

        size = x.size()[1:] # all dimensions except the batch dimension

        num_features = 1

        for s in size:

            num_features *= s

        return num_features

net = Net()

net

'''神经网络的输出结果是这样的

Net (

  (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))

  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))

  (fc1): Linear (400 -> 120)

  (fc2): Linear (120 -> 84)

  (fc3): Linear (84 -> 10)

)

'''

仅仅需要定义一个forward函数就可以了，backward会自动地生成。

注意: torch.nn 只接受小批量的数据

整个torch.nn包只接受那种小批量样本的数据，而非单个样本。例如，nn.Conv2d能够结构一个四维的TensornSamples x nChannels x Height x Width。

如果你拿的是单个样本，使用input.unsqueeze(0)来加一个假维度就可以了。

你可以在forward函数中使用所有的Tensor中的操作。

模型中可学习的参数会由net.parameters()返回。

params = list(net.parameters())

print(len(params))

print(params[0].size()) # conv1's .weight

input = Variable(torch.randn(1, 1, 32, 32))

out = net(input)

'''out 的输出结果如下

Variable containing:

-0.0158 -0.0682 -0.1239 -0.0136 -0.0645  0.0107 -0.0230 -0.0085  0.1172 -0.0393

[torch.FloatTensor of size 1x10]

'''

net.zero_grad() # 对所有的参数的梯度缓冲区进行归零                          //不明白

out.backward(torch.randn(1, 10)) # 使用随机的梯度进行反向传播              //不明白

复习一下前面我们学到的：

torch.Tensor - 一个多维数组
autograd.Variable - 改变Tensor并且记录下来操作的历史记录。和Tensor拥有相同的API，以及backward()的一些API。同时包含着和张量相关的梯度。
nn.Module - 神经网络模块。便捷的数据封装，能够将运算移往GPU，还包括一些输入输出的东西。
nn.Parameter - 一种变量，当将任何值赋予Module时自动注册为一个参数。
autograd.Function - 实现了使用自动求导方法的前馈和后馈的定义。每个Variable的操作都会生成至少一个独立的Function节点，与生成了Variable的函数相连之后记录下操作历史。

到现在我们已经明白的部分:

定义了一个神经网络。
处理了输入以及实现了反馈。

仍然没整的:

计算代价。
更新网络中的权重。

一个代价函数接受（输出，目标）对儿的输入，并计算估计出输出与目标之间的差距。

nn package包中一些不同的代价函数.

一个简单的代价函数：nn.MSELoss计算输入和目标之间的均方误差。

举个例子:

output = net(input)

target = Variable(torch.range(1, 10))  # a dummy target, for example

criterion = nn.MSELoss()

loss = criterion(output, target)

'''loss的值如下

Variable containing:

 38.5849

[torch.FloatTensor of size 1]

'''

现在，如果你跟随loss从后往前看，使用.creator属性你可以看到这样的一个计算流程图：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d

      -> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear

      -> MSELoss

      -> loss

因此当我们调用loss.backward()时整个图通过代价来进行区分，图中所有的变量都会以.grad来累积梯度。

# For illustration, let us follow a few steps backward

print(loss.creator) # MSELoss

print(loss.creator.previous_functions[0][0]) # Linear

print(loss.creator.previous_functions[0][0].previous_functions[0][0]) # ReLU

'''

<torch.nn._functions.thnn.auto.MSELoss object at 0x7fe8102dd7c8>

<torch.nn._functions.linear.Linear object at 0x7fe8102dd708>

<torch.nn._functions.thnn.auto.Threshold object at 0x7fe8102dd648>

'''

# 现在我们应当调用loss.backward(), 之后来看看 conv1's在进行反馈之后的偏置梯度如何

net.zero_grad() # 归零操作

print('conv1.bias.grad before backward')

print(net.conv1.bias.grad)

loss.backward()

print('conv1.bias.grad after backward')

print(net.conv1.bias.grad)

''' 这些步骤的输出结果如下

conv1.bias.grad before backward

Variable containing:

 0

 0

 0

 0

 0

 0

[torch.FloatTensor of size 6]

conv1.bias.grad after backward

Variable containing:

 0.0346

-0.0141

 0.0544

-0.1224

-0.1677

 0.0908

[torch.FloatTensor of size 6]

'''

现在我们已经了解如何使用代价函数了。（并没有）

阅读材料：

神经网络包中包含着诸多用于神经网络的模块和代价函数，带有文档的完整清单在这里：torch.nn - PyTorch 0.1.9 documentation

只剩下一个没学了:

更新网络的权重

最简单的更新的规则是随机梯度下降法(SGD):

weight = weight - learning_rate * gradient

我们可以用简单的python来表示:

learning_rate = 0.01

for f in net.parameters():

    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)

然而在你使用神经网络的时候你想要使用不同种类的方法诸如：SGD, Nesterov-SGD, Adam, RMSProp, etc.

我们构建了一个小的包torch.optim来实现这个功能，其中包含着所有的这些方法。用起来也非常简单:

import torch.optim as optim

# create your optimizer

optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr = 0.01)

# in your training loop:

optimizer.zero_grad() # zero the gradient buffers

output = net(input)

loss = criterion(output, target)

loss.backward()

optimizer.step() # Does the update

就是这样。

但你现在也许会想。

那么数据怎么办呢？

通常来讲，当你处理图像，声音，文本，视频时需要使用python中其他独立的包来将他们转换为numpy中的数组，之后再转换为torch.*Tensor。

图像的话，可以用Pillow, OpenCV。
声音处理可以用scipy和librosa。
文本的处理使用原生Python或者Cython以及NLTK和SpaCy都可以。

特别的对于图像，我们有torchvision这个包可用,其中包含了一些现成的数据集如：Imagenet, CIFAR10, MNIST等等。同时还有一些转换图像用的工具。这非常的方便并且避免了写样板代码。

本教程使用CIFAR10数据集。我们要进行的分类的类别有：'airplane', 'automobile', 'bird', 'cat', 'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck'。这个数据集中的图像都是3通道，32x32像素的图片。

下面是对torch神经网络使用的一个实战练习。

训练一个图片分类器

我们要按顺序做这几个步骤：

使用torchvision来读取并预处理CIFAR10数据集
定义一个卷积神经网络
定义一个代价函数
在神经网络中训练训练集数据
使用测试集数据测试神经网络

1. 读取并预处理CIFAR10

使用torchvision读取CIFAR10相当的方便。

import torchvision

import torchvision.transforms as transforms

# torchvision数据集的输出是在[0, 1]范围内的PILImage图片。

# 我们此处使用归一化的方法将其转化为Tensor，数据范围为[-1, 1]

transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),

                              transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5)),

                             ])

trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)

trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4,

                                          shuffle=True, num_workers=2)

testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)

testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=4,

                                          shuffle=False, num_workers=2)

classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat',

           'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')

'''注：这一部分需要下载部分数据集 因此速度可能会有一些慢 同时你会看到这样的输出

Downloading http://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz to ./data/cifar-10-python.tar.gz

Extracting tar file

Done!

Files already downloaded and verified

'''

我们来从中找几张图片看看。

# functions to show an image

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np

%matplotlib inline

def imshow(img):

    img = img / 2 + 0.5 # unnormalize

    npimg = img.numpy()

    plt.imshow(np.transpose(npimg, (1,2,0)))

# show some random training images

dataiter = iter(trainloader)

images, labels = dataiter.next()

# print images

imshow(torchvision.utils.make_grid(images))

# print labels

print(' '.join('%5s'%classes[labels[j]] for j in range(4)))

结果是这样的：

2. 定义一个卷积神经网络

class Net(nn.Module):

    def __init__(self):

        super(Net, self).__init__()

        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)

        self.pool  = nn.MaxPool2d(2,2)

        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)

        self.fc1   = nn.Linear(16*5*5, 120)

        self.fc2   = nn.Linear(120, 84)

        self.fc3   = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):

        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))

        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))

        x = x.view(-1, 16*5*5)

        x = F.relu(self.fc1(x))

        x = F.relu(self.fc2(x))

        x = self.fc3(x)

        return x

net = Net()

3. 定义代价函数和优化器

criterion = nn.CrossEntropyLoss() # use a Classification Cross-Entropy loss

optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

4. 训练网络

事情变得有趣起来了。我们只需一轮一轮迭代然后不断通过输入来进行参数调整就行了。

for epoch in range(2): # loop over the dataset multiple times

    running_loss = 0.0

    for i, data in enumerate(trainloader, 0):

        # get the inputs

        inputs, labels = data

        # wrap them in Variable

        inputs, labels = Variable(inputs), Variable(labels)

        # zero the parameter gradients

        optimizer.zero_grad()

        # forward + backward + optimize

        outputs = net(inputs)

        loss = criterion(outputs, labels)

        loss.backward()

        optimizer.step()

        # print statistics

        running_loss += loss.data[0]

        if i % 2000 == 1999: # print every 2000 mini-batches

            print('[%d, %5d] loss: %.3f' % (epoch+1, i+1, running_loss / 2000))

            running_loss = 0.0

print('Finished Training')

'''这部分的输出结果为

[1,  2000] loss: 2.212

[1,  4000] loss: 1.892

[1,  6000] loss: 1.681

[1,  8000] loss: 1.590

[1, 10000] loss: 1.515

[1, 12000] loss: 1.475

[2,  2000] loss: 1.409

[2,  4000] loss: 1.394

[2,  6000] loss: 1.376

[2,  8000] loss: 1.334

[2, 10000] loss: 1.313

[2, 12000] loss: 1.264

Finished Training

'''

我们已经训练了两遍了。此时需要测试一下到底结果如何。

通过对比神经网络给出的分类和已知的类别结果，可以得出正确与否，如果预测的正确，我们可以将样本加入正确预测的结果的列表中。

好的第一步，让我们展示几张照片来熟悉一下。

dataiter = iter(testloader)

images, labels = dataiter.next()

# print images

imshow(torchvision.utils.make_grid(images))

print('GroundTruth: ', ' '.join('%5s'%classes[labels[j]] for j in range(4)))

结果是这样的：

好的，接下来看看神经网络如何看待这几个照片。

outputs = net(Variable(images))

# the outputs are energies for the 10 classes.

# Higher the energy for a class, the more the network

# thinks that the image is of the particular class

# So, let's get the index of the highest energy

_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)

print('Predicted: ', ' '.join('%5s'% classes[predicted[j][0]] for j in range(4)))

'''输出结果为

Predicted:    cat plane   car plane

'''

结果看起来挺好。

看看神经网络在整个数据集上的表现结果如何。

correct = 0

total = 0

for data in testloader:

    images, labels = data

    outputs = net(Variable(images))

    _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)

    total += labels.size(0)

    correct += (predicted == labels).sum()

print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % (100 * correct / total))

'''输出结果为

Accuracy of the network on the 10000 test images: 54 %

'''

看上去这玩意输出的结果比随机整的要好，随机选择的话从十个中选择一个出来，准确率大概只有10%。

看上去神经网络学到了点东西。

嗯。。。那么到底哪些类别表现良好又是哪些类别不太行呢？

class_correct = list(0. for i in range(10))

class_total = list(0. for i in range(10))

for data in testloader:

    images, labels = data

    outputs = net(Variable(images))

    _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)

    c = (predicted == labels).squeeze()

    for i in range(4):

        label = labels[i]

        class_correct[label] += c[i]

        class_total[label] += 1

for i in range(10):

    print('Accuracy of %5s : %2d %%' % (classes[i], 100 * class_correct[i] / class_total[i]))

'''输出结果为

Accuracy of plane : 73 %

Accuracy of   car : 70 %

Accuracy of  bird : 52 %

Accuracy of   cat : 27 %

Accuracy of  deer : 34 %

Accuracy of   dog : 37 %

Accuracy of  frog : 62 %

Accuracy of horse : 72 %

Accuracy of  ship : 64 %

Accuracy of truck : 53 %

'''

好吧，接下来该怎么搞了？

我们该如何将神经网络运行在GPU上呢？

在GPU上进行训练

就像你把Tensor传递给GPU进行运算一样，你也可以将神经网络传递给GPU。

这一过程将逐级进行操作，直到所有组件全部都传递到GPU上。

net.cuda()

'''输出结果为

Net (

  (conv1): Conv2d(3, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))

  (pool): MaxPool2d (size=(2, 2), stride=(2, 2), dilation=(1, 1))

  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))

  (fc1): Linear (400 -> 120)

  (fc2): Linear (120 -> 84)

  (fc3): Linear (84 -> 10)

)

'''

记住，每一步都需要把输入和目标传给GPU。

    inputs, labels = Variable(inputs.cuda()), Variable(labels.cuda())

我为什么没有进行CPU运算和GPU运算的对比呢？因为神经网络实在太小了，其中的差距并不明显。

目标达成：

在更高层级上理解PyTorch的Tensor库和神经网络。
训练一个小的神经网络。

接下来我该去哪？