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深度学习dataset等概念

article 2024/11/15 12:12:43

DATASET

自定义 Dataset 类必须实现三个函数：init、len 和 getitem。

__init__

init 函数在实例化 Dataset 对象时运行一次
__len__

len 函数返回数据集中样本的数量。
__getitem__

getitem 函数加载并返回给定索引 idx 处的数据集样本。

DATALOADER

是在dataloader处写batch_size的大小。

Dataset 一次检索一个数据集特征和标签样本。在训练模型时，我们通常希望以“小批量”的形式传递样本，并在每个时期重新排列数据以减少模型过拟合，并使用 Python 的 multiprocessing 来加速数据检索。

1. `Dataset` 与 `DataLoader` 的配合

Dataset：Dataset 是一个抽象类，代表整个数据集。它的主要职责是定义如何获取数据集中的一个样本。通常，Dataset 只返回一个样本（包括特征和标签），每次调用 __getitem__() 方法时返回一个单独的数据点。Dataset 让你可以灵活地控制数据的读取方式，例如从文件中读取、应用数据增强等。
DataLoader：DataLoader 是一个帮助类，用于将 Dataset 中的样本批量化，并提供对这些批次的迭代访问。DataLoader 接受一个 Dataset 对象，并在此基础上执行以下操作：
- 批量化：将 Dataset 中的样本按照指定的批大小（batch_size）分成一个个批次。
- 随机打乱：在每个 epoch 开始时，可以随机打乱数据顺序，避免模型过拟合。
- 并行加载：使用多线程或多进程来并行加载数据，提高加载效率。
- 迭代器支持：DataLoader 提供了对数据的迭代器访问方式，使得可以在训练循环中轻松地逐批次获取数据。

2. 为什么 `Dataset` 每次只返回一个样本

灵活性：Dataset 设计成每次返回一个样本的方式，使得它具有高度的灵活性。你可以定义任意复杂的逻辑来获取单个样本，比如从磁盘读取、应用图像增强、甚至从多个来源组合数据。
解耦设计：Dataset 的设计关注于如何获取单个样本，而不关心如何组织或处理这些样本。这种解耦设计使得 Dataset 只需专注于样本的获取，简化了代码复杂度。
更容易实现自定义数据处理：对于不同的数据集和任务，你可能需要对数据进行特殊的处理。通过让 Dataset 返回单个样本，你可以在 __getitem__() 中实现这些自定义处理，而不用担心批量处理的复杂性。

3. `DataLoader` 的作用

DataLoader 的出现是为了弥补 Dataset 的单样本返回方式，使得在训练模型时能够高效地处理数据。DataLoader 会在训练时：

将多个样本组合成一个小批量：这种方式能充分利用 GPU 的并行计算能力，提高训练速度。
并行处理数据加载：通过多线程或多进程加速数据加载，减少训练过程中的等待时间。
为训练循环提供数据：在训练循环中，DataLoader 提供一个简单的方式去遍历整个数据集的所有小批量数据。

DataLoader 是一个可迭代对象，它在一个简单的 API 中为我们抽象了这种复杂性。

super() 是 Python 中用于调用父类（超类）的一个内置函数。它允许你在子类中调用父类的方法，而不需要显式地引用父类名。super() 函数通常用于在子类中扩展父类的方法。

super() 函数的语法如下：

super(type, obj)

type 是子类的类型。
obj 是子类的实例。

在 super(NeuralNet, self).__init__() 中：

NeuralNet 是子类的名称。
self 是子类的实例。

super() 函数的参数是可选的，如果省略，super() 会自动查找当前类和实例，并调用其父类的方法。因此，super(NeuralNet, self).__init__() 可以简化为 super().__init__()。

在深度学习中，将模型和数据移动到GPU上进行计算可以显著提高训练和推理的速度。以下是一些常见的场景和时机，可以将模型和数据移动到GPU上：

模型初始化时：
- 在创建模型实例后，可以使用 .to(device) 方法将模型移动到GPU上。例如：
```
model = NeuralNet(input_size, hidden_size, num_classes)
model.to(device)
```
- 这一步确保了模型的所有参数（权重和偏置）都在GPU上，以便在后续的训练过程中利用GPU进行计算。
数据加载时：
- 在加载数据时，可以使用 .to(device) 方法将数据移动到GPU上。例如，在PyTorch中，可以使用 DataLoader 加载数据，并在数据加载时将数据移动到GPU上：
```
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
for inputs, labels in dataloader:
    inputs = inputs.to(device)
    labels = labels.to(device)
    # 在这里进行前向传播、损失计算和反向传播等操作
```
- 这一步确保了输入数据和标签都在GPU上，以便在后续的计算过程中利用GPU进行计算。
模型推理时：
- 在进行模型推理（即预测新数据）时，通常也需要将输入数据移动到GPU上。例如：
```
inputs = inputs.to(device)
outputs = model(inputs)
```
- 这一步确保了输入数据在GPU上，以便在后续的前向传播过程中利用GPU进行计算。

注意事项：

确保在运行代码之前，已经正确安装了支持GPU的深度学习框架（如PyTorch）。
确保在代码中定义了 device 变量，并且该变量已经正确设置为 'cuda'，以便将模型和数据移动到GPU上。
在进行模型推理时，通常不需要将模型移动到GPU上，因为模型已经在训练过程中在GPU上进行了优化。

是的，优化器通常需要访问模型的所有参数，以便在训练过程中更新这些参数。在PyTorch中，优化器通过 model.parameters() 方法获取模型的所有参数。

使用优化器，需要传递被优化的参数

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)

在这个例子中，model.parameters() 返回模型的所有参数，包括权重和偏置。这些参数将被传递给优化器，以便在训练过程中进行更新。

为什么需要所有参数

参数更新：优化器的目标是通过调整模型参数来最小化损失函数。为了实现这一目标，优化器需要访问所有参数，以便在每次迭代中更新它们。
梯度计算：在反向传播过程中，需要计算损失函数对每个参数的梯度。优化器需要访问所有参数，以便计算和更新它们的梯度。

注意事项

确保在创建优化器时，传递给 model.parameters() 的参数是模型的所有参数。如果只传递部分参数，优化器将无法更新这些参数。
如果模型中包含多个子模块，可以使用 model.named_parameters() 方法获取所有参数的名称和值，以便更精细地控制优化过程。

通过传递模型的所有参数给优化器，可以确保在训练过程中正确地更新模型参数，从而最小化损失函数。

train_loader 是一个数据加载器对象，通常用于加载训练数据集。在 PyTorch 中，DataLoader 类用于将数据集分成多个批次（batch），并在每次迭代时返回一个批次的数据。DataLoader 返回的值取决于数据集和批处理设置。

常见的返回值

数据：DataLoader 返回的每个批次通常包含两部分：输入数据和标签数据。例如，在图像分类任务中，输入数据是图像，标签数据是图像对应的类别标签。
索引：如果 train_loader 是从 Dataset 对象创建的，并且 Dataset 对象实现了 __getitem__ 方法，那么 DataLoader 返回的每个批次还会包含一个索引列表，表示当前批次中每个数据在原始数据集中的位置。
采样权重：如果 train_loader 是从 WeightedRandomSampler 对象创建的，那么 DataLoader 返回的每个批次还会包含一个采样权重列表，表示当前批次中每个数据在原始数据集中的采样权重。

示例

假设 train_loader 是从 Dataset 对象创建的，并且 Dataset 对象实现了 __getitem__ 方法，那么 DataLoader 返回的每个批次通常包含以下内容：

for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
    # images 是输入数据，通常是一个张量
    # labels 是标签数据，通常是一个张量
    # i 是当前批次的索引

在这个例子中，images 和 labels 是当前批次的数据，i 是当前批次的索引。

注意事项

DataLoader 返回的值取决于数据集和批处理设置。如果数据集和批处理设置发生变化，DataLoader 返回的值也会发生变化。
在使用 DataLoader 时，通常需要遍历 DataLoader 对象，以获取每个批次的数据。例如，可以使用 for 循环遍历 DataLoader 对象：
```
for images, labels in train_loader:
    # 在这里进行前向传播、计算损失、反向传播和参数更新等操作
```
在训练神经网络时，通常会在每个批次结束后进行一些操作，如打印损失值、保存模型等。

enumerate() 是 Python 的内置函数，用于将一个可遍历的数据对象（如列表、元组或字符串）组合为一个索引序列，同时列出数据和数据下标，一般用在 for 循环当中。配合计数

这段代码是深度学习模型训练过程中的一部分，主要用于执行反向传播和优化步骤。具体来说，它实现了以下功能：

清空梯度：optimizer.zero_grad() 这行代码的作用是清空之前计算的梯度。在每次迭代开始时，梯度需要被清零，否则梯度会累积，导致模型训练出现问题。
反向传播：loss.backward() 这行代码执行反向传播算法。反向传播是深度学习模型训练的核心步骤之一，它通过计算损失函数相对于模型参数的梯度，来更新这些参数。这一步会自动计算损失函数相对于每个参数的梯度，并将这些梯度存储在参数的 .grad 属性中。
优化参数：optimizer.step() 这行代码使用优化器（如SGD、Adam等）来更新模型的参数。优化器根据之前计算得到的梯度来调整参数的值，以最小化损失函数。这一步会根据梯度下降算法或其他优化算法的规则，更新模型参数。

用途：
这段代码的用途是在训练深度学习模型时，通过反向传播和优化步骤，逐步调整模型参数，以最小化损失函数，从而提高模型的预测性能。

注意事项：

在每次迭代开始时，必须调用 optimizer.zero_grad() 来清空梯度，否则梯度会累积，导致模型参数更新错误。
loss.backward() 会自动计算梯度，但需要注意，如果模型中有复杂的操作（如自定义的 torch.autograd.Function），可能需要手动调用 torch.autograd.backward 来计算梯度。
optimizer.step() 会根据梯度更新模型参数，因此需要确保梯度计算和优化步骤的顺序正确。

torch.save 是 PyTorch 中用于保存对象到磁盘的函数。它接受以下参数：用来保存state_dict存下ckpt

obj：要保存的对象。这可以是任何 Python 对象，但通常是一个张量、模型的状态字典（state_dict）或其他 PyTorch 对象。
f：文件名或文件对象。这可以是文件路径（字符串）或一个已经打开的文件对象。如果是一个文件路径，torch.save 会自动创建文件。

criterion 评价标准，通常 item()是PyTorch张量对象的一个方法，用于将单元素张量转换为Python标量（即一个数值）。如果张量包含多个元素，item()会引发错误

`transforms` 模块

transforms 模块提供了许多常用的图像变换操作，如裁剪、缩放、旋转、翻转、归一化等。这些变换操作可以用于对图像数据进行预处理，以便在训练神经网络时使用。

常用的有transforms.ToTensor()

在深度学习中，反向传播（backpropagation）是一种计算梯度的方法，用于更新模型参数以最小化损失函数。优化器（如SGD、Adam等）则负责根据计算得到的梯度更新模型参数。

反向传播

反向传播的过程是这样的：

计算损失函数对于模型输出的梯度（通常使用链式法则）。
将这个梯度从输出层传播回输入层。
计算每个模型参数对于损失函数的梯度。

在PyTorch中，这个过程通常由loss.backward()函数自动完成。这个函数会自动计算损失函数对于模型所有可导参数的梯度，并将这些梯度存储在参数的.grad属性中。

梯度清零

在每次更新参数之前，我们需要将梯度清零。这是因为每次迭代中，我们都会计算新的损失函数对于模型参数的梯度。如果不将梯度清零，那么每次迭代中的梯度都会在前一次迭代的基础上累积，导致参数更新错误。

因此，在每次迭代开始时，我们首先调用optimizer.zero_grad()来清零梯度。这样，我们就为新的梯度计算做好了准备。

优化器step

优化器负责根据计算得到的梯度更新模型参数。在PyTorch中，optimizer.step()函数会自动更新模型参数。具体来说，它会遍历所有参数，并使用优化器的更新规则（如SGD的权重衰减、Adam的梯度平方平均等）来更新每个参数。

在调用optimizer.step()之后，模型参数就会被更新，从而更接近损失函数的最小值。

综上所述，在深度学习模型训练过程中，loss.backward()用于计算梯度，optimizer.zero_grad()用于清零梯度，而optimizer.step()用于更新模型参数。通过这样的流程，我们不断地逼近损失函数的最小值，从而优化模型。

optimizer.step 根据优化器的规则来进行模型参数的更新

这段代码是Python中PyTorch库中的一个函数，用于创建一个二维批量归一化（Batch Normalization）层。这个层通常用于加速神经网络的训练过程，特别是在深度学习中。

nn.BatchNorm2d(16) 的参数 16 表示该层的输入特征图的通道数为 16。nn.BatchNorm2d 函数的输入参数是一个整数，表示批量大小（batch size），这里设置为 16。批量归一化层的作用是对输入的特征图进行归一化处理，使得每个特征图的均值为 0，方差为 1。这样可以加速模型训练过程，提高模型的泛化能力。

在深度学习中，批量归一化层通常被应用于卷积神经网络（CNN）的卷积层之后，以加速模型训练过程。同时，批量归一化层也可以应用于其他类型的神经网络层之后，以提高模型的性能。

在使用批量归一化层时，需要注意以下几点：