简单CNN
知识回顾
- 数据增强
- 卷积神经网络定义的写法
- batch归一化：调整一个批次的分布，常用与图像数据
- 特征图：只有卷积操作输出的才叫特征图
- 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
- 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复试班强化班中的计算机视觉部分，请自行上网检索视频了解下基础概念，也可以对照我提供的之前的讲义学习下。
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。
一、数据增强
在图像数据预处理环节，为提升数据多样性，可采用数据增强（数据增广）策略。该策略通常不改变单次训练的样本总数，而是通过对现有图像进行多样化变换，使每次训练输入的样本呈现更丰富的形态差异，从而有效扩展模型训练的样本空间多样性。
常见的修改策略包括以下几类
- 几何变换：如旋转、缩放、平移、剪裁、裁剪、翻转
- 像素变换：如修改颜色、亮度、对比度、饱和度、色相、高斯模糊（模拟对焦失败）、增加噪声、马赛克
- 语义增强（暂时不用）：mixup，对图像进行结构性改造、cutout随机遮挡等
此外，在数据极少的场景长，常常用生成模型来扩充数据集，如GAN、VAE等。
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)
注意数据增强一般是不改变每个批次的数据量，是对原始数据修改后替换原始数据。其中该数据集事先知道其均值和标准差，如果不知道，需要提前计算下。
二、 CNN模型
卷积的本质：通过卷积核在输入通道上的滑动乘积，提取跨通道的空间特征。所以只需要定义几个参数即可
- 卷积核大小：卷积核的大小，如3x3、5x5、7x7等。
- 输入通道数：输入图片的通道数，如1（单通道图片）、3（RGB图片）、4（RGBA图片）等。
- 输出通道数：卷积核的个数，即输出的通道数。如本模型中通过 32→64→128 逐步增加特征复杂度
- 步长（stride）：卷积核的滑动步长，默认为1。
# 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）
上述定义CNN模型中：
- 使用三层卷积+池化结构提取图像特征
- 每层卷积后添加BatchNorm加速训练并提高稳定性
- 使用Dropout减少过拟合
可以把全连接层前面的不理解为神经网络的一部分，单纯理解为特征提取器，他们的存在就是帮助模型进行特征提取的。
上述定义CNN模型中：
- 使用三层卷积+池化结构提取图像特征
- 每层卷积后添加BatchNorm加速训练并提高稳定性
- 使用Dropout减少过拟合
可以把全连接层前面的不理解为神经网络的一部分，单纯理解为特征提取器，他们的存在就是帮助模型进行特征提取的。
2.1 batch归一化
Batch 归一化是深度学习中常用的一种归一化技术，加速模型收敛并提升泛化能力。通常位于卷积层后。
卷积操作常见流程如下：
- 输入 → 卷积层 → Batch归一化层（可选） → 池化层 → 激活函数 → 下一层
- Flatten -> Dense (with Dropout，可选) -> Dense (Output)
其中，BatchNorm 应在池化前对空间维度的特征完成归一化，以确保归一化统计量基于足够多的样本（空间位置），避免池化导致的统计量偏差
旨在解决深度神经网络训练中的内部协变量偏移问题：深层网络中，随着前层参数更新，后层输入分布会发生变化，导致模型需要不断适应新分布，训练难度增加。就好比你在学新知识，知识体系的基础一直在变，你就得不断重新适应，模型训练也是如此，这就导致训练变得困难，这就是内部协变量偏移问题。
通过对每个批次的输入数据进行标准化（均值为 0、方差为 1），想象把一堆杂乱无章、分布不同的数据规整到一个标准的样子。
- 使各层输入分布稳定，让数据处于激活函数比较合适的区域，缓解梯度消失 / 爆炸问题;
- 因为数据分布稳定了，所以允许使用更大的学习率，提升训练效率。
深度学习的归一化有2类：
- Batch Normalization：一般用于图像数据，因为图像数据通常是批量处理，有相对固定的 Batch Size ，能利用 Batch 内数据计算稳定的统计量（均值、方差 ）来做归一化。
- Layer Normalization：一般用于文本数据，本数据的序列长度往往不同，像不同句子长短不一，很难像图像那样固定 Batch Size 。如果用 Batch 归一化，不同批次的统计量波动大，效果不好。层归一化是对单个样本的所有隐藏单元进行归一化，不依赖批次。
ps：这个操作在结构化数据中其实是叫做标准化，但是在深度学习领域，习惯把这类对网络中间层数据进行调整分布的操作都叫做归一化 。
2.2 特征图
卷积层输出的叫做特征图，通过输入尺寸和卷积核的尺寸、步长可以计算出输出尺寸。可以通过可视化中间层的特征图，理解 CNN 如何从底层特征（如边缘）逐步提取高层语义特征（如物体部件、整体结构）。MLP是不输出特征图的，因为他输出的一维向量，无法保留空间维度
特征图就代表着在之前特征提取器上提取到的特征，可以通过 Grad-CAM方法来查看模型在识别图像时，特征图所对应的权重是多少。-----深度学习可解释性
2.3 调度器
criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 交叉熵损失函数
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) # Adam优化器
# 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LR
factor=0.5 # 降低LR的比例（新LR = 旧LR × 0.5）
)
ReduceLROnPlateau调度器适用于当监测的指标（如验证损失）停滞时降低学习率。是大多数任务的首选调度器，尤其适合验证集波动较大的情况
这种学习率调度器的方法相较于之前只有单纯的优化器，是一种超参数的优化方法，它通过调整学习率来优化模型。
常见的优化器有 adam、SGD、RMSprop 等，而除此之外学习率调度器有 lr_scheduler.StepLR、lr_scheduler.ExponentialLR、lr_scheduler.CosineAnnealingLR 等。
可以把优化器和调度器理解为调参手段，学习率是参数
注意，优化器如adam虽然也在调整学习率，但是他的调整是相对值，计算步长后根据基础学习率来调整。但是调度器是直接调整基础学习率。
# 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 = 0.0
correct = 0
total = 0
for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
data, target = data.to(device), target.to(device) # 移至GPU
optimizer.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 / total
train_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 = 0
correct_test = 0
total_test = 0
with 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_test
test_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")
@浙大疏锦行
