DAY 41 简单CNN

知识回顾

1. 数据增强
2. 卷积神经网络定义的写法
3. batch归一化：调整一个批次的分布，常用与图像数据
4. 特征图：只有卷积操作输出的才叫特征图
5. 调度器：直接修改基础学习率

卷积操作常见流程如下：

1. 输入 → 卷积层 → Batch归一化层（可选） → 池化层 → 激活函数 → 下一层

1. Flatten -> Dense (with Dropout，可选) -> Dense (Output)

这里相关的概念比较多，如果之前没有学习过计算机视觉部分，请自行上网检索视频了解下基础概念，也可以对照讲义学习下。

计算机视觉入门

作业：尝试手动修改下不同的调度器和CNN的结构，观察训练的差异。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")# 1. 数据预处理
# 训练集：使用多种数据增强方法提高模型泛化能力
train_transform = transforms.Compose([# 随机裁剪图像，从原图中随机截取32x32大小的区域transforms.RandomCrop(32, padding=4),# 随机水平翻转图像（概率0.5）transforms.RandomHorizontalFlip(),# 随机颜色抖动：亮度、对比度、饱和度和色调随机变化transforms.ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.2, saturation=0.2, hue=0.1),# 随机旋转图像（最大角度15度）transforms.RandomRotation(15),# 将PIL图像或numpy数组转换为张量transforms.ToTensor(),# 标准化处理：每个通道的均值和标准差，使数据分布更合理transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 测试集：仅进行必要的标准化，保持数据原始特性，标准化不损失数据信息，可还原
test_transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010))
])# 2. 加载CIFAR-10数据集
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=train_transform  # 使用增强后的预处理
)test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=False,transform=test_transform  # 测试集不使用增强
)# 3. 创建数据加载器
batch_size = 64
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)
# 4. 定义CNN模型的定义（替代原MLP）
class CNN(nn.Module):def __init__(self):super(CNN, self).__init__()  # 继承父类初始化# ---------------------- 第一个卷积块 ----------------------# 卷积层1：输入3通道（RGB），输出32个特征图，卷积核3x3，边缘填充1像素self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,       # 输入通道数（图像的RGB通道）out_channels=32,     # 输出通道数（生成32个新特征图）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸（3x3像素）padding=1            # 边缘填充1像素，保持输出尺寸与输入相同)# 批量归一化层：对32个输出通道进行归一化，加速训练self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_features=32)# ReLU激活函数：引入非线性，公式：max(0, x)self.relu1 = nn.ReLU()# 最大池化层：窗口2x2，步长2，特征图尺寸减半（32x32→16x16）self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)  # stride默认等于kernel_size# ---------------------- 第二个卷积块 ----------------------# 卷积层2：输入32通道（来自conv1的输出），输出64通道self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=32,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=64,     # 输出通道数（特征图数量翻倍）kernel_size=3,       # 卷积核尺寸不变padding=1            # 保持尺寸：16x16→16x16（卷积后）→8x8（池化后）)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_features=64)self.relu2 = nn.ReLU()self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：16x16→8x8# ---------------------- 第三个卷积块 ----------------------# 卷积层3：输入64通道，输出128通道self.conv3 = nn.Conv2d(in_channels=64,      # 输入通道数（前一层的输出通道数）out_channels=128,    # 输出通道数（特征图数量再次翻倍）kernel_size=3,padding=1            # 保持尺寸：8x8→8x8（卷积后）→4x4（池化后）)self.bn3 = nn.BatchNorm2d(num_features=128)self.relu3 = nn.ReLU()  # 复用激活函数对象（节省内存）self.pool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)  # 尺寸减半：8x8→4x4# ---------------------- 全连接层（分类器） ----------------------# 计算展平后的特征维度：128通道 × 4x4尺寸 = 128×16=2048维self.fc1 = nn.Linear(in_features=128 * 4 * 4,  # 输入维度（卷积层输出的特征数）out_features=512          # 输出维度（隐藏层神经元数）)# Dropout层：训练时随机丢弃50%神经元，防止过拟合self.dropout = nn.Dropout(p=0.5)# 输出层：将512维特征映射到10个类别（CIFAR-10的类别数）self.fc2 = nn.Linear(in_features=512, out_features=10)def forward(self, x):# 输入尺寸：[batch_size, 3, 32, 32]（batch_size=批量大小，3=通道数，32x32=图像尺寸）# ---------- 卷积块1处理 ----------x = self.conv1(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 32, 32, 32]（padding=1保持尺寸）x = self.bn1(x)         # 批量归一化，不改变尺寸x = self.relu1(x)       # 激活函数，不改变尺寸x = self.pool1(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 32, 16, 16]（32→16是因为池化窗口2x2）# ---------- 卷积块2处理 ----------x = self.conv2(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 64, 16, 16]（padding=1保持尺寸）x = self.bn2(x)x = self.relu2(x)x = self.pool2(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 64, 8, 8]# ---------- 卷积块3处理 ----------x = self.conv3(x)       # 卷积后尺寸：[batch_size, 128, 8, 8]（padding=1保持尺寸）x = self.bn3(x)x = self.relu3(x)x = self.pool3(x)       # 池化后尺寸：[batch_size, 128, 4, 4]# ---------- 展平与全连接层 ----------# 将多维特征图展平为一维向量：[batch_size, 128*4*4] = [batch_size, 2048]x = x.view(-1, 128 * 4 * 4)  # -1自动计算批量维度，保持批量大小不变x = self.fc1(x)           # 全连接层：2048→512，尺寸变为[batch_size, 512]x = self.relu3(x)         # 激活函数（复用relu3，与卷积块3共用）x = self.dropout(x)       # Dropout随机丢弃神经元，不改变尺寸x = self.fc2(x)           # 全连接层：512→10，尺寸变为[batch_size, 10]（未激活，直接输出logits）return x  # 输出未经过Softmax的logits，适用于交叉熵损失函数# 初始化模型
model = CNN()
#model = model.to(device)  # 将模型移至GPU（如果可用）
# 5. 定义损失函数和优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()  # 交叉熵损失函数，适用于多分类任务
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)  # Adam优化器，学习率0.001
# 引入学习率调度器，在训练过程中动态调整学习率--训练初期使用较大的 LR 快速降低损失，训练后期使用较小的 LR 更精细地逼近全局最优解。
# 在每个 epoch 结束后，需要手动调用调度器来更新学习率，可以在训练过程中调用 scheduler.step()
scheduler = optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer,        # 指定要控制的优化器（这里是Adam）mode='min',       # 监测的指标是"最小化"（如损失函数）patience=3,       # 如果连续3个epoch指标没有改善，才降低LRfactor=0.5        # 降低LR的比例（新LR = 旧LR × 0.5）
)
# scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=5, gamma=0.1)  
# # 每5个epoch，LR = LR × 0.1  # scheduler = optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones=[10, 20, 30], gamma=0.5)  
# # 当epoch=10、20、30时，LR = LR × 0.5  # scheduler = optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=10, eta_min=0.0001)  
# # LR在[0.0001, LR_initial]之间按余弦曲线变化，周期为2×T_max  
# 5. 训练模型（记录每个 iteration 的损失）
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, scheduler, device, epochs):model.train()  # 设置为训练模式# 记录每个 iteration 的损失all_iter_losses = []  # 存储所有 batch 的损失iter_indices = []     # 存储 iteration 序号# 记录每个 epoch 的准确率和损失train_acc_history = []test_acc_history = []train_loss_history = []test_loss_history = []for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0correct = 0total = 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data, target = data.to(device), target.to(device)  # 移至GPUoptimizer.zero_grad()  # 梯度清零output = model(data)  # 前向传播loss = criterion(output, target)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播optimizer.step()  # 更新参数# 记录当前 iteration 的损失iter_loss = loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)iter_indices.append(epoch * len(train_loader) + batch_idx + 1)# 统计准确率和损失running_loss += iter_loss_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 每100个批次打印一次训练信息if (batch_idx + 1) % 100 == 0:print(f'Epoch: {epoch+1}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')# 计算当前epoch的平均训练损失和准确率epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / totaltrain_acc_history.append(epoch_train_acc)train_loss_history.append(epoch_train_loss)# 测试阶段model.eval()  # 设置为评估模式test_loss = 0correct_test = 0total_test = 0with torch.no_grad():for data, target in test_loader:data, target = data.to(device), target.to(device)output = model(data)test_loss += criterion(output, target).item()_, predicted = output.max(1)total_test += target.size(0)correct_test += predicted.eq(target).sum().item()epoch_test_loss = test_loss / len(test_loader)epoch_test_acc = 100. * correct_test / total_testtest_acc_history.append(epoch_test_acc)test_loss_history.append(epoch_test_loss)# 更新学习率调度器scheduler.step(epoch_test_loss)print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs} 完成 | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 绘制所有 iteration 的损失曲线plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)# 绘制每个 epoch 的准确率和损失曲线plot_epoch_metrics(train_acc_history, test_acc_history, train_loss_history, test_loss_history)return epoch_test_acc  # 返回最终测试准确率# 6. 绘制每个 iteration 的损失曲线
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 7. 绘制每个 epoch 的准确率和损失曲线
def plot_epoch_metrics(train_acc, test_acc, train_loss, test_loss):epochs = range(1, len(train_acc) + 1)plt.figure(figsize=(12, 4))# 绘制准确率曲线plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(epochs, train_acc, 'b-', label='训练准确率')plt.plot(epochs, test_acc, 'r-', label='测试准确率')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('准确率 (%)')plt.title('训练和测试准确率')plt.legend()plt.grid(True)# 绘制损失曲线plt.subplot(1, 2, 2)plt.plot(epochs, train_loss, 'b-', label='训练损失')plt.plot(epochs, test_loss, 'r-', label='测试损失')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('损失值')plt.title('训练和测试损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 8. 执行训练和测试
epochs = 20  # 增加训练轮次以获得更好效果
print("开始使用CNN训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, scheduler, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")# # 保存模型
# torch.save(model.state_dict(), 'cifar10_cnn_model.pth')
# print("模型已保存为: cifar10_cnn_model.pth")

一般来说，在一个训练良好的深度学习模型中，训练集上的准确率应该等于或略高于测试集上的准确率。如果测试集上的准确率显著优于训练集，这通常是一个异常情况，可能暗示着以下几种潜在的问题或特殊情况：

正则化层（最常见原因）：

许多深度学习模型包含在训练和测试阶段表现不同的层，最典型的就是：

• Dropout 层： 在训练阶段，Dropout 层会随机关闭一部分神经元，引入噪声，降低模型在训练集上的表现（因为它每次都在一个“残缺”的网络上学习）。但在测试阶段，Dropout 层是关闭的，所有神经元都参与计算，模型使用其全部学习到的能力进行预测。因此，测试时 Dropout 的关闭可能会导致模型在测试集上表现略好于训练集。
• Batch Normalization（批归一化）层： 在训练阶段，Batch Normalization 使用当前批次数据的均值和方差进行归一化。但在测试阶段，它使用在训练过程中累积的全局均值和方差（移动平均）。这种行为上的差异也可能导致在某些情况下测试集准确率略高于训练集。
• 解决方法： 在评估模型性能时，确保正确切换模型的模式。例如，在 PyTorch 中使用 model.eval() 模式进行评估，而在 TensorFlow/Keras 中，确保在评估函数中设置 training=False。在评估训练集准确率时，也应切换到 eval() 模式，以进行公平比较。如果这是原因，切换模式后，训练集准确率通常会提高，并接近或略高于测试集准确率。

• 数据泄露（Data Leakage）：

• 这是机器学习中最严重的问题之一。如果测试集中的信息在无意中“泄露”到了训练过程中，模型就会在测试集上表现得异常好，因为它已经“见过”这部分数据了。常见的数据泄露形式包括：

• 特征工程在划分数据集之前完成： 例如，计算了整个数据集的均值、标准差来标准化数据，然后再进行训练/测试集划分。这样测试集的信息就通过这些统计量进入了训练集。

• 不小心将测试数据混入训练数据： 复制粘贴错误，或者数据集划分逻辑有误。
• 使用“未来”信息进行预测： 在时间序列数据中，如果使用了未来的数据来训练模型，然后在测试集上预测，也会出现数据泄露。
• 解决方法： 严格遵循数据处理的最佳实践，即先将数据集划分为训练集、验证集和测试集，然后只在训练集上进行特征工程和数据预处理，并将这些处理规则应用到验证集和测试集。