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[PyTorch] Getting Start: Neural Networks 神經網路的基本介紹

Last Updated on 2021-04-13 by Clay

所謂的『神經網路』，便是我們想要進行深度學習所建的『模型架構』。在 PyTorch 官方的教學裡頭，第一句話就明確地闡明了：

『可以使用 torch.nn 來建構神經網路。』

nn 包含了模型層以及一個 forward() 的函式，並且會返回 output。這在之後的程式碼中可以清楚看見。

首先來闡述一個神經網路的基本訓練流程：

  1. 定義神經網路、並設置學習的參數或權重
  2. 迭代輸入 Training data
  3. 設定好的神經網路開始處理輸入資料
  4. 計算 Loss function (損失函數)，即為計算『output 與正確答案的差距』
  5. 藉由 Loss function 得到應該更改的權重
  6. 更新神經網路的權重，通常使用較簡單的規則，比如: 新的權重 = 舊的權重 - (Learning rate (學習率) * gradient (梯度))

那麼，以下就來直接看段官方的 Sample code 吧。

在那之前，若是你想直接參考官方的 Tutorial，連結在這：https://pytorch.org/tutorials/beginner/blitz/neural_networks_tutorial.html#sphx-glr-beginner-blitz-neural-networks-tutorial-py

基本上我也是按照他們的教學來學習的，強力推薦。

定義神經網路

以下是一段非常基本的 CNN 程式，基本上我在網路上查看過各式各樣這樣的模型設計，所以還是別搞怪，直接上官方的程式碼吧：

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        # Kernel
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 3)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 3)
        # Affine operation
        self.fc1 = nn.Linear(16*6*6, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        # Max pooling
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
       
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:]
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features


if __name__ == '__main__':
    net = Net()
    print(net)


Output:

Net(
   (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
   (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
   (fc1): Linear(in_features=576, out_features=120, bias=True)
   (fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
   (fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
)

正如前一篇筆記所提到的，神經網路有 forward propagation 以及 backward propagation 兩部份，在 PyTorch 當中，我們繼承了 nn.Module 之後，需要親自定義『forward』這個 function；至於 backward propagation，正如前一篇《Getting Start: 自動求導》所提及的，可以使用『autograd』來取得梯度。

params = list(net.parameters())
print(len(params))

for n in range(len(params)):
    print(params[n].size())


Output:

10
torch.Size([6, 1, 3, 3])
torch.Size([6])
torch.Size([16, 6, 3, 3])
torch.Size([16])
torch.Size([120, 576])
torch.Size([120])
torch.Size([84, 120])
torch.Size([84])
torch.Size([10, 84])
torch.Size([10])

按照官方的解釋，以上這 10 個為模型的『可學習參數』的 size。每個參數都有著不一樣大小的 size。

接下來我們就要開始產生一個隨機輸入了。為了要符合 Mnist 圖形（我在這篇教學《使用 CNN 進行 MNIST 的手寫數字辨識 —— by Keras (實戰篇)》中有示範如何用 Keras 訓練模型來分類），我們要將尺寸定為 32x32。

大家熟悉的 Mnist 似乎都是 28x28 的？關於這個解答，其實我有在 so 上面找到：

https://stackoverflow.com/questions/28525436/why-the-lenet5-uses-32%C3%9732-image-as-input

廢話不多說，就來看輸入的程式碼吧！

input = torch.randn(1, 1, 32, 32)
out = net(input)
print(out)


Output:

tensor([[-0.0130, -0.0792, -0.1078, -0.1333,
          0.0815,  0.0615, -0.1001, -0.1203,
          0.0502, -0.0364]], grad_fn=<AddmmBackward>)

我們得到的值為我們輸入值通過 forward 之後返回的值。接下來我們要進行在 PyTorch 中相當重要的動作：『將參數、梯度緩衝區歸零』——若是不這樣的做的話，每次的梯度都會累積起來，產生錯誤的訓練結果。

程式碼如下：

net.zero_grad()
out.backward(torch.randn(1, 10))


Loss function

Loss function (或者你習慣稱之為『損失函數』)，在 PyTorch 中需要以 (預測結果, 正確答案) 這樣的格式輸入。 Loss function 的計算方式很多，例如『均方誤差』(Mean square error, MSE)、『平均絕對值誤差』(Mean absolute error, MAE)、『交叉熵』(Cross-entropy) ..... 等等。

我們實作預測任務的模型時，通常都希望模型預測的通通都是正解，然後，通常我們預測的結果都會和 Training data 的正確答案有出入。這兩者之間的差距即是 loss。

今天我們首先以官網所示範的均方誤差 (MSE) 來示範。我們可以在 nn 底下找到這個 loss function 的函式。

由於我們的輸入是亂數決定的，所以我們也來亂數決定一個正確結果吧？畢竟我們的目的只是想知道如何計算 loss function。

# Input & Target
input = torch.randn(1, 1, 32, 32)
out = net(input)
target = torch.randn(10).view(1, -1)
print(out.size())
print(target.size())


Output:

torch.Size([1, 10])
torch.Size([1, 10])

別忘了，我們要使用 view() 來將預測的結果與標準答案 size 對齊。這裡我們可以看到兩者的維度都是相同的。

然後我們就可以使用 PyTorch 提供的 function 來計算 loss 了：

# Loss function
criterion = nn.MSELoss()
loss = criterion(output, target)
print(loss)


Output:

tensor(0.579, grad_fn=<MseLossBackward>)

以上，就是我們計算 loss 的方法。

Backward propagation

Backward propagation，又稱反向傳播，為我們通過計算預測結果與正解的距離（即 loss function），來反向地更新我們模型的權重，使模型越來越準確。

# Backprop
net.zero_grad()

# Before
print('Before:', net.conv1.bias.grad)

# After
loss.backward()
print('After:', net.conv1.bias.grad)


Output:

Before: tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.])
After: tensor([-0.0186,  0.0026,  0.0069, -0.0020,  0.0032, -0.0144])

要記得使用 zero_grad() 來清除緩衝的梯度，不然會逐漸累積，導致不正確的結果哦。

更新權重

還記得一開始我筆記裡的權重更新函數嗎？通常都是：

新的權重 = 舊的權重 - (Learning rate (學習率) * gradient (梯度))

這被稱為『隨機梯度下降』(SGD)，官網給予了一段簡潔的程式碼來實作：

learning_rate = 0.01
for f in net.parameters():
    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)


除此之外，你也可以嘗試不同的更新規則，例如使用經典的 SGD、Adam、RMSProp ...... 等等，都可以在 torch.optim 裡面呼叫。

那麼，今天紀錄了 PyTorch 在神經網路中訓練的流程，希望很快就開始訓練模型。

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