构建神经网络模型
译者：runzhi214
项目地址：https://pytorch.apachecn.org/2.0/tutorials/beginner/basics/buildmodel_tutorial
原始地址：https://pytorch.org/tutorials/beginner/basics/buildmodel_tutorial.html
神经网络由在数据上进行操作的层/模块构成。torch.nn 命名空间提供了所有你用来构建你自己的神经网络所需的组件。PyTorch 中每个模块都是 nn.Module 的子类。一个由其他模块(层)组成的神经网络自身也是一个模块。这种嵌套的结构让构建和管理复杂的结构更轻松。
在下面的章节中，我们将构建一个神经网络来给 FashionMNIST 数据集的图片分类。
import os
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms
获取训练的设备
我们希望能够在一个硬件加速设备比如 GPU 或者 MPS 上(如果有的话)训练我们的模型。让我们检查 torch.cuda 和 torch.backend.mps 是否可用，否则我们使用 CPU。
device = (
"cuda"
if torch.cuda.is_available()
else "mps"
if torch.backends.mps.is_available()
else "cpu"
)
print(f"Using {device} device")
输出:
定义类
我们通过子类化 nn.Module 来定义我们的神经网络，并在 __init__ 中初始化神经网络。每个 nn.Module 子类都会在 forward 方法中实现对输入数据的操作。
class NeuralNetwork(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.flatten = nn.Flatten()
self.linear_relu_stack = nn.Sequential(
nn.Linear(28*28, 512),
nn.ReLU(),
nn.Linear(512, 512),
nn.ReLU(),
nn.Linear(512, 10),
)
def forward(self, x):
x = self.flatten(x)
logits = self.linear_relu_stack(x)
return logits
我们创建一个 NeuralNetwork 实例，并将它发送到 device ，然后打印它的结构.
输出:
NeuralNetwork(
(flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(linear_relu_stack): Sequential(
(0): Linear(in_features=784, out_features=512, bias=True)
(1): ReLU()
(2): Linear(in_features=512, out_features=512, bias=True)
(3): ReLU()
(4): Linear(in_features=512, out_features=10, bias=True)
)
)
为了使用这个模型，我们给它传递输入数据。这将会执行模型的 forward 函数，以及一些后台操作。请不要直接调用 model.forward() !
将数据传递给模型并调用后返回一个 2 维tensor(第0维对应一组 10 个代表每种类型的原始预测值，第1维对应该类型对应的原始预测值)。我们将它传递给一个 nn.Softmax 模块的实例来来获得预测概率。
X = torch.rand(1, 28, 28, device=device)
logits = model(X)
pred_probab = nn.Softmax(dim=1)(logits)
y_pred = pred_probab.argmax(1)
print(f"Predicted class: {y_pred}")
输出:
模型层
让我们分析这个 FashionMNIST 模型的各层。为了说明，我们会取一个由 3 张 28x28 的图片数据组成的样例数据，并看看当我们将它传递给模型后会发生什么。
输出:
nn.Flatten
我们初始化 nn.Flatten(展平层) 层来将每个 2 维的 28x28 图像转换成一个包含 784 像素值的连续数组(微批数据的维度(第0维)保留了).
输出:
nn.Linear
nn.Linear(线性层)是一个对输入值使用自己存储的权重 (w) 和偏差 (b) 来做线性转换的模块。
layer1 = nn.Linear(in_features=28*28, out_features=20)
hidden1 = layer1(flat_image)
print(hidden1.size())
输出:
nn.ReLU
非线性的激活函在模型的输入和输出之间数创造了复杂的映射关系。它们在线性转换之后引入非线性，帮助神经网络学习更广阔范围的现象。
在这个模型中，我们在线性层之间使用 nn.ReLU，不过还有其他的激活函数可以用在你的模型中引入非线性。
(译者注：ReLU 即 Rectified Linear Unit，译为线性整流函数或者修正线性单元)
输出:
Before ReLU: tensor([[ 0.4158, -0.0130, -0.1144, 0.3960, 0.1476, -0.0690, -0.0269, 0.2690,
0.1353, 0.1975, 0.4484, 0.0753, 0.4455, 0.5321, -0.1692, 0.4504,
0.2476, -0.1787, -0.2754, 0.2462],
[ 0.2326, 0.0623, -0.2984, 0.2878, 0.2767, -0.5434, -0.5051, 0.4339,
0.0302, 0.1634, 0.5649, -0.0055, 0.2025, 0.4473, -0.2333, 0.6611,
0.1883, -0.1250, 0.0820, 0.2778],
[ 0.3325, 0.2654, 0.1091, 0.0651, 0.3425, -0.3880, -0.0152, 0.2298,
0.3872, 0.0342, 0.8503, 0.0937, 0.1796, 0.5007, -0.1897, 0.4030,
0.1189, -0.3237, 0.2048, 0.4343]], grad_fn=<AddmmBackward0>)
After ReLU: tensor([[0.4158, 0.0000, 0.0000, 0.3960, 0.1476, 0.0000, 0.0000, 0.2690, 0.1353,
0.1975, 0.4484, 0.0753, 0.4455, 0.5321, 0.0000, 0.4504, 0.2476, 0.0000,
0.0000, 0.2462],
[0.2326, 0.0623, 0.0000, 0.2878, 0.2767, 0.0000, 0.0000, 0.4339, 0.0302,
0.1634, 0.5649, 0.0000, 0.2025, 0.4473, 0.0000, 0.6611, 0.1883, 0.0000,
0.0820, 0.2778],
[0.3325, 0.2654, 0.1091, 0.0651, 0.3425, 0.0000, 0.0000, 0.2298, 0.3872,
0.0342, 0.8503, 0.0937, 0.1796, 0.5007, 0.0000, 0.4030, 0.1189, 0.0000,
0.2048, 0.4343]], grad_fn=<ReluBackward0>)
nn.Sequential
nn.Sequential 是一个模块的有序容器。数据会沿着模块定义的顺序流动。你可以使用 sequential container(译者注：有序容器,也有的书称之为线性容器)来组成一个快速网络，比如seq_modules。
seq_modules = nn.Sequential(
flatten,
layer1,
nn.ReLU(),
nn.Linear(20, 10)
)
input_image = torch.rand(3,28,28)
logits = seq_modules(input_image)
nn.Softmax
模型的最后一层返回 logits(介于[负无穷,正无穷]之间的原始值)，然后被传递给 nn.Softmax 模块。这些 logits 值被缩放到 [0,1]，代表模型对每种类型的预测概率， dim 参数代表沿着该维度数值应该加总为 1.
模型参数
神经网络内的许多层都是参数化的，比如可以在训练中与层相关的可优化权重和偏置。 nn.Module 的子类会自动追踪所有你定义在模型对象中的字段，并通过你模型的 parameters() 或者 named_parameters() 方法访问所有参数。
在这个例子中，我们在每个参数上遍历，然后打印出它的大小(size)与数值。
print(f"Model structure: {model}\n\n")
for name, param in model.named_parameters():
print(f"Layer: {name} | Size: {param.size()} | Values : {param[:2]} \n"
输出:
Model structure: NeuralNetwork(
(flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(linear_relu_stack): Sequential(
(0): Linear(in_features=784, out_features=512, bias=True)
(1): ReLU()
(2): Linear(in_features=512, out_features=512, bias=True)
(3): ReLU()
(4): Linear(in_features=512, out_features=10, bias=True)
)
)
Layer: linear_relu_stack.0.weight | Size: torch.Size([512, 784]) | Values : tensor([[ 0.0273, 0.0296, -0.0084, ..., -0.0142, 0.0093, 0.0135],
[-0.0188, -0.0354, 0.0187, ..., -0.0106, -0.0001, 0.0115]],
device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.0.bias | Size: torch.Size([512]) | Values : tensor([-0.0155, -0.0327], device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.2.weight | Size: torch.Size([512, 512]) | Values : tensor([[ 0.0116, 0.0293, -0.0280, ..., 0.0334, -0.0078, 0.0298],
[ 0.0095, 0.0038, 0.0009, ..., -0.0365, -0.0011, -0.0221]],
device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.2.bias | Size: torch.Size([512]) | Values : tensor([ 0.0148, -0.0256], device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.4.weight | Size: torch.Size([10, 512]) | Values : tensor([[-0.0147, -0.0229, 0.0180, ..., -0.0013, 0.0177, 0.0070],
[-0.0202, -0.0417, -0.0279, ..., -0.0441, 0.0185, -0.0268]],
device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
Layer: linear_relu_stack.4.bias | Size: torch.Size([10]) | Values : tensor([ 0.0070, -0.0411], device='cuda:0', grad_fn=<SliceBackward0>)
