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使用Pytorch如何完成多分類問題

更新時間：2023年02月02日 11:10:08 作者：LiBiGo

這篇文章主要介紹了使用Pytorch如何完成多分類問題，具有很好的參考價值，希望對大家有所幫助。如有錯誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教

Pytorch如何完成多分類

多分類問題在最后的輸出層采用的Softmax Layer，其具有兩個特點：1.每個輸出的值都是在(0,1)；2.所有值加起來和為1.

假設(shè)是最后線性層的輸出，則對應(yīng)的Softmax function為：

輸出經(jīng)過sigmoid運算即可是西安輸出的分類概率都大于0且總和為1。

上圖的交叉熵損失就包含了softmax計算和右邊的標簽輸入計算（即框起來的部分）

所以在使用交叉熵損失的時候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最后一層是不要做激活的，因為把它做成分布的激活是包含在交叉熵損失里面的，最后一層不要做非線性變換，直接交給交叉熵損失。

如上圖，做交叉熵損失時要求y是一個長整型的張量，構(gòu)造時直接用

criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()

3個類別，分別是2,0,1

Y_pred1 ,Y_pred2還是線性輸出，沒經(jīng)過softmax,還不是概率分布，比如Y_pred1，0.9最大，表示對應(yīng)為第3個的概率最大，和2吻合，1.1最大，表示對應(yīng)為第1個的概率最大，和0吻合，2.1最大，表示對應(yīng)為第2個的概率最大，和1吻合，那么Y_pred1 的損失會比較小

對于Y_pred2，0.8最大，表示對應(yīng)為第1個的概率最大，和0不吻合，0.5最大，表示對應(yīng)為第3個的概率最大，和2不吻合，0.5最大，表示對應(yīng)為第3個的概率最大，和2不吻合，那么Y_pred2 的損失會比較大

Exercise 9-1: CrossEntropyLoss vs NLLLoss

What are the differences?

• Reading the document:

• https://pytorch.org/docs/stable/nn.html#crossentropyloss

• https://pytorch.org/docs/stable/nn.html#nllloss

• Try to know why:

• CrossEntropyLoss <==> LogSoftmax + NLLLoss

為什么要用transform

transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.1307, ), (0.3081, )) ])

PyTorch讀圖像用的是python的imageLibrary,就是PIL，現(xiàn)在用的都是pillow，pillow讀進來的圖像用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的時候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有一個特點就是希望輸入的數(shù)值比較小，最好是在-1到+1之間，最好是輸入遵從正態(tài)分布，這樣的輸入對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是最有幫助的

原始圖像是28*28的像素值在0到255之間，我們把它轉(zhuǎn)變成圖像張量，像素值是0到1

在視覺里面，灰度圖就是一個矩陣，但實際上并不是一個矩陣，我們把它叫做單通道圖像，彩色圖像是3通道，通道有寬度和高度，一般我們讀進來的圖像張量是WHC(寬高通道)

在PyTorch里面我們需要轉(zhuǎn)化成CWH,把通道放在前面是為了在PyTorch里面進行更高效的圖像處理，卷積運算。所以拿到圖像之后，我們就把它先轉(zhuǎn)化成pytorch里面的一個Tensor，把0到255的值變成0到1的浮點數(shù)，然后把維度由2828變成128*28的張量，由單通道變成多通道，

這個過程可以用transforms的ToTensor這個函數(shù)實現(xiàn)

歸一化

transforms.Normalize((0.1307, ), (0.3081, ))

這里的0.1307,0.3081是對Mnist數(shù)據(jù)集所有的像素求均值方差得到的

也就是說，將來拿到了圖像，先變成張量，然后Normalize，切換到0,1分布，然后供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

如上圖，定義好transform變換之后，直接把它放到數(shù)據(jù)集里面，為什么要放在數(shù)據(jù)集里面呢，是為了在讀取第i個數(shù)據(jù)的時候，直接用transform處理

模型

輸入是一組圖像，激活層改用Relu

全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要求輸入是一個矩陣

所以需要把輸入的張量變成一階的，這里的N表示有N個圖片

view函數(shù)可以改變張量的形狀，-1表示將來自動去算它的值是多少，比如輸入是n128*28

將來會自動把n算出來，輸入了張量就知道形狀，就知道有多少個數(shù)值

最后輸出是（N,10）因為是有0-9這10個標簽嘛，10表示該圖像屬于某一個標簽的概率，現(xiàn)在還是線性值，我們再用softmax把它變成概率

#沿著第一個維度找最大值的下標，返回值有兩個，因為是10列嘛，返回值一個是每一行的最大值，另一個是最大值的下標（每一個樣本就是一行，每一行有10個量）（行是第0個維度，列是第1個維度）

MNIST數(shù)據(jù)集訓(xùn)練代碼

import torch
from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
from torch.utils.data import DataLoader
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
 
# prepare dataset
 
batch_size = 64
 
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(), #先將圖像變換成一個張量tensor。
    transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
    #其中的0.1307是MNIST數(shù)據(jù)集的均值，0.3081是MNIST數(shù)據(jù)集的標準差。
])  # 歸一化,均值和方差
 
train_dataset = datasets.MNIST(root='../dataset/mnist/', train=True,
                               download=True, transform=transform)
train_loader = DataLoader(train_dataset, shuffle=True, batch_size=batch_size)
 
test_dataset = datasets.MNIST(root='../dataset/mnist/', train=False,
                               download=True, transform=transform)
test_loader = DataLoader(test_dataset, shuffle=False, batch_size=batch_size)
 
# design model using class
class Net(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.l1 = torch.nn.Linear(784, 512)
        self.l2 = torch.nn.Linear(512, 256)
        self.l3 = torch.nn.Linear(256, 128)
        self.l4 = torch.nn.Linear(128, 64)
        self.l5 = torch.nn.Linear(64, 10)
 
    def forward(self, x):
        # 28 * 28 = 784
        # 784 = 28 * 28,即將N *1*28*28轉(zhuǎn)化成 N *1*784
        x = x.view(-1, 784)  # -1其實就是自動獲取mini_batch
        x = F.relu(self.l1(x))
        x = F.relu(self.l2(x))
        x = F.relu(self.l3(x))
        x = F.relu(self.l4(x))
        return self.l5(x)  # 最后一層不做激活，不進行非線性變換
 
model = Net()
 
#CrossEntropyLoss <==> LogSoftmax + NLLLoss。
#也就是說使用CrossEntropyLoss最后一層(線性層)是不需要做其他變化的；
#使用NLLLoss之前，需要對最后一層(線性層)先進行SoftMax處理，再進行l(wèi)og操作。
 
# construct loss and optimizer
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
#momentum 是帶有優(yōu)化的一個訓(xùn)練過程參數(shù)
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.5)
 
# training cycle forward, backward, update
 
def train(epoch):
    running_loss = 0.0
    #enumerate()函數(shù)用于將一個可遍歷的數(shù)據(jù)對象(如列表、元組或字符串)組合為一個索引序列，
    #同時列出數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)下標，一般用在 for 循環(huán)當中。
    #enumerate(sequence, [start=0])
    for batch_idx, data in enumerate(train_loader, 0):
        # 獲得一個批次的數(shù)據(jù)和標簽
        inputs, target = data
        optimizer.zero_grad()
 
        #forward + backward + update
        # 獲得模型預(yù)測結(jié)果(64, 10)
        outputs = model(inputs)
        # 交叉熵代價函數(shù)outputs(64,10),target（64）
        loss = criterion(outputs, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
 
        running_loss += loss.item()
        if batch_idx % 300 == 299:
            print('[%d, %5d] loss: %.3f' % (epoch + 1, batch_idx + 1, running_loss / 300))
            running_loss = 0.0
 
def test():
    correct = 0
    total = 0
    with torch.no_grad():#不需要計算梯度。
        for data in test_loader:
            images, labels = data
            outputs = model(images)
            #orch.max的返回值有兩個，第一個是每一行的最大值是多少，第二個是每一行最大值的下標(索引)是多少。
            _, predicted = torch.max(outputs.data, dim=1)  # dim = 1 列是第0個維度，行是第1個維度
            total += labels.size(0)
            correct += (predicted == labels).sum().item()  # 張量之間的比較運算
    print('accuracy on test set: %d %% ' % (100 * correct / total))
 
if __name__ == '__main__':
    for epoch in range(10):
        train(epoch)
        test()