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PyTorch 2.12 快速入门

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数据处理

PyTorch提供了两个用于数据处理的基础组件:torch.utils.data.DataLoader和torch.utils.data.Dataset。Dataset用于存储样本及其对应的标签,DataLoader则对Dataset进行迭代封装。

import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import v2

PyTorch提供了多个领域专用库,包括TorchText、TorchVision和TorchAudio,这些库均内置了数据集。本教程将使用TorchVision数据集。

torchvision.datasets模块包含了适用于多种真实视觉数据的Dataset对象,例如CIFAR、COCO。本教程使用FashionMNIST数据集,每个TorchVision Dataset都包含两个参数:transform和target_transform,分别用于对样本和标签进行修改。

# Download training data from open datasets.
training_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=True,
    download=True,
    transform=v2.Compose([v2.ToImage(), v2.ToDtype(torch.float32, scale=True)]),
)

# Download test data from open datasets.
test_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=False,
    download=True,
    transform=v2.Compose([v2.ToImage(), v2.ToDtype(torch.float32, scale=True)]),
)
  0%|          | 0.00/26.4M [00:00<?, ?B/s]
  0%|          | 65.5k/26.4M [00:00<01:09, 377kB/s]
  1%|          | 229k/26.4M [00:00<00:37, 707kB/s]
  3%|▎         | 918k/26.4M [00:00<00:11, 2.18MB/s]
 14%|█▍        | 3.67M/26.4M [00:00<00:03, 7.54MB/s]
 37%|███▋      | 9.83M/26.4M [00:00<00:00, 17.5MB/s]
 60%|██████    | 16.0M/26.4M [00:01<00:00, 23.5MB/s]
 84%|████████▍ | 22.2M/26.4M [00:01<00:00, 27.4MB/s]
100%|██████████| 26.4M/26.4M [00:01<00:00, 20.1MB/s]

  0%|          | 0.00/29.5k [00:00<?, ?B/s]
100%|██████████| 29.5k/29.5k [00:00<00:00, 337kB/s]

  0%|          | 0.00/4.42M [00:00<?, ?B/s]
  1%|▏         | 65.5k/4.42M [00:00<00:11, 375kB/s]
  5%|▌         | 229k/4.42M [00:00<00:05, 708kB/s]
 19%|█▉        | 852k/4.42M [00:00<00:01, 2.02MB/s]
 79%|███████▊  | 3.47M/4.42M [00:00<00:00, 7.16MB/s]
100%|██████████| 4.42M/4.42M [00:00<00:00, 6.31MB/s]

  0%|          | 0.00/5.15k [00:00<?, ?B/s]
100%|██████████| 5.15k/5.15k [00:00<00:00, 50.8MB/s]

将Dataset传入DataLoader,可封装数据集的迭代功能,同时支持自动批处理、采样、打乱和多进程数据加载。这里定义批次大小为64,即数据加载器的每个迭代元素会返回64个特征和标签组成的批次。

batch_size = 64

# Create data loaders.
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=batch_size)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=batch_size)

for X, y in test_dataloader:
    print(f"Shape of X [N, C, H, W]: {X.shape}")
    print(f"Shape of y: {y.shape} {y.dtype}")
    break
Shape of X [N, C, H, W]: torch.Size([64, 1, 28, 28])
Shape of y: torch.Size([64]) torch.int64

模型创建

在PyTorch中定义神经网络,需要创建一个继承自nn.Module的类。在__init__函数中定义网络层,在forward函数中指定数据在网络中的传播方式。为了加速神经网络运算,将模型迁移到CUDA、MPS、MTIA或XPU等加速器上;若当前加速器不可用,则使用CPU。

device = torch.accelerator.current_accelerator().type if torch.accelerator.is_available() else "cpu"
print(f"Using {device} device")

# Define model
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

model = NeuralNetwork().to(device)
print(model)
Using cuda device
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)
  )
)

模型参数优化

训练模型需要使用损失函数和优化器。

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3)

在单次训练循环中,模型会对训练数据集进行批量预测,并将预测误差反向传播以调整模型参数。

def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)
    model.train()
    for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
        X, y = X.to(device), y.to(device)

        # Compute prediction error
        pred = model(X)
        loss = loss_fn(pred, y)

        # Backpropagation
        loss.backward()
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()

        if batch % 100 == 0:
            loss, current = loss.item(), (batch + 1) * len(X)
            print(f"loss: {loss:>7f}  [{current:>5d}/{size:>5d}]")

同时在测试数据集上验证模型性能,确保模型正在学习。

def test(dataloader, model, loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset)
    num_batches = len(dataloader)
    model.eval()
    test_loss, correct = 0, 0
    with torch.no_grad():
        for X, y in dataloader:
            X, y = X.to(device), y.to(device)
            pred = model(X)
            test_loss += loss_fn(pred, y).item()
            correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
    test_loss /= num_batches
    correct /= size
    print(f"Test Error: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")

训练过程会进行多个迭代周期(epoch),每个周期模型都会学习参数以提升预测效果。打印每个周期的模型准确率和损失,理想情况下准确率会逐步提升,损失会逐步下降。

epochs = 5
for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1}\n-------------------------------")
    train(train_dataloader, model, loss_fn, optimizer)
    test(test_dataloader, model, loss_fn)
print("Done!")
Epoch 1
-------------------------------
loss: 2.308571  [   64/60000]
loss: 2.283845  [ 6464/60000]
loss: 2.263912  [12864/60000]
loss: 2.250840  [19264/60000]
loss: 2.234350  [25664/60000]
loss: 2.206552  [32064/60000]
loss: 2.214474  [38464/60000]
loss: 2.177198  [44864/60000]
loss: 2.173431  [51264/60000]
loss: 2.145613  [57664/60000]
Test Error:
 Accuracy: 47.8%, Avg loss: 2.132438

Epoch 2
-------------------------------
loss: 2.151133  [   64/60000]
loss: 2.128767  [ 6464/60000]
loss: 2.065868  [12864/60000]
loss: 2.079103  [19264/60000]
loss: 2.024301  [25664/60000]
loss: 1.967980  [32064/60000]
loss: 2.002589  [38464/60000]
loss: 1.914585  [44864/60000]
loss: 1.914785  [51264/60000]
loss: 1.857888  [57664/60000]
Test Error:
 Accuracy: 49.7%, Avg loss: 1.842189

Epoch 3
-------------------------------
loss: 1.880040  [   64/60000]
loss: 1.840284  [ 6464/60000]
loss: 1.717671  [12864/60000]
loss: 1.765090  [19264/60000]
loss: 1.655026  [25664/60000]
loss: 1.612522  [32064/60000]
loss: 1.649840  [38464/60000]
loss: 1.546005  [44864/60000]
loss: 1.566916  [51264/60000]
loss: 1.481809  [57664/60000]
Test Error:
 Accuracy: 59.7%, Avg loss: 1.489499

Epoch 4
-------------------------------
loss: 1.551978  [   64/60000]
loss: 1.516600  [ 6464/60000]
loss: 1.368065  [12864/60000]
loss: 1.448740  [19264/60000]
loss: 1.329922  [25664/60000]
loss: 1.327002  [32064/60000]
loss: 1.354688  [38464/60000]
loss: 1.277455  [44864/60000]
loss: 1.302673  [51264/60000]
loss: 1.217838  [57664/60000]
Test Error:
 Accuracy: 62.9%, Avg loss: 1.241062

Epoch 5
-------------------------------
loss: 1.309439  [   64/60000]
loss: 1.290670  [ 6464/60000]
loss: 1.130989  [12864/60000]
loss: 1.239824  [19264/60000]
loss: 1.114016  [25664/60000]
loss: 1.140699  [32064/60000]
loss: 1.169178  [38464/60000]
loss: 1.107137  [44864/60000]
loss: 1.135468  [51264/60000]
loss: 1.059944  [57664/60000]
Test Error:
 Accuracy: 64.4%, Avg loss: 1.082769

Done!

模型保存

保存模型的常用方法是序列化包含模型参数的状态字典。

torch.save(model.state_dict(), "model.pth")
print("Saved PyTorch Model State to model.pth")
Saved PyTorch Model State to model.pth

模型加载

加载模型的流程包括重新创建模型结构,并将状态字典加载到模型中。

model = NeuralNetwork().to(device)
model.load_state_dict(torch.load("model.pth", weights_only=True))
<All keys matched successfully>

该模型可直接用于预测任务。

classes = [
    "T-shirt/top",
    "Trouser",
    "Pullover",
    "Dress",
    "Coat",
    "Sandal",
    "Shirt",
    "Sneaker",
    "Bag",
    "Ankle boot",
]

model.eval()
x, y = test_data[0][0], test_data[0][1]
with torch.no_grad():
    x = x.to(device)
    pred = model(x)
    predicted, actual = classes[pred[0].argmax(0)], classes[y]
    print(f'Predicted: "{predicted}", Actual: "{actual}"')
Predicted: "Ankle boot", Actual: "Ankle boot"
标签: PyTorch 2.12

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