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AI-基本概念-多层感知器模型/CNN/RNN/自注意力模型

article 2024/11/2 16:56:43

1 需求

神经网络

……

深度学习

……

深度学习包含哪些神经网络：

  • 全连接神经网络
  • 卷积神经网络
  • 循环神经网络
  • 基于注意力机制的神经网络

2 接口

3 CNN

在这个示例中：

 
  • 首先定义了一个简单的卷积神经网络SimpleCNN，它包含两个卷积层、两个池化层和两个全连接层。
  • 然后通过torchvision库加载了 MNIST 数据集，并进行了数据预处理。
  • 接着使用交叉熵损失函数和随机梯度下降优化器对模型进行了 10 个周期的训练。
  • 最后在测试集上对模型进行了测试，计算了模型的准确率。这是一个基础的 PyTorch CNN 应用示例，你可以根据实际需求修改模型结构、数据和训练参数等。

第一步，定义卷积神经网络（CNN）模型

import torch
import torch.nn as nn

class SimpleCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleCNN, self).__init__()
        # 第一个卷积层，输入通道为1（灰度图像），输出通道为32，卷积核大小为3x3
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, kernel_size=3)
        # 第一个卷积层后的激活函数ReLU
        self.relu1 = nn.ReLU()
        # 第一个最大池化层，池化核大小为2x2
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
        # 第二个卷积层，输入通道为32，输出通道为64，卷积核大小为3x3
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=3)
        self.relu2 = nn.ReLU()
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
        # 全连接层，将卷积层输出的特征图展平后连接到该层，输入大小为64 * 6 * 6，输出大小为128
        self.fc1 = nn.Linear(64 * 6 * 6, 128)
        self.relu3 = nn.ReLU()
        # 最后一个全连接层，用于分类，输出大小为10（假设是10分类问题）
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.relu1(x)
        x = self.pool1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.relu2(x)
        x = self.pool2(x)
        # 将特征图展平
        x = x.view(-1, 64 * 6 * 6)
        x = self.fc1(x)
        x = self.relu3(x)
        x = self.fc2(x)
        return x

第二步，准备数据（以 MNIST 数据集为例）

import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

# 定义数据转换，将图像转换为张量并进行归一化
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])
# 下载并加载训练数据集
trainset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True,
                                        download=True, transform=transform)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=64,
                                          shuffle=True, num_workers=2)
# 下载并加载测试数据集
testset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False,
                                       download=True, transform=transform)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=64,
                                         shuffle=False, num_workers=2)

第三步，训练模型

# 创建模型实例
model = SimpleCNN()
# 定义损失函数（交叉熵损失）和优化器（随机梯度下降）
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
# 训练循环
for epoch in range(10):  # 进行10个训练周期
    running_loss = 0.0
    for i, data in enumerate(trainloader, 0):
        # 获取输入数据和标签
        inputs, labels = data
        # 梯度清零
        optimizer.zero_grad()
        # 前向传播
        outputs = model(inputs)
        # 计算损失
        loss = criterion(outputs, labels)
        # 反向传播
        loss.backward()
        # 更新参数
        optimizer.step()
        # 累计损失
        running_loss += loss.item()
    print(f'Epoch {epoch + 1}, Loss: {running_loss / len(trainloader)}')

第四步，测试模型

correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():
    for data in testloader:
        images, labels = data
        # 模型预测
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()
print(f'Accuracy of the model on the test set: {100 * correct / total}%')

4 参考资料

神经网络——最易懂最清晰的一篇文章-CSDN博客

  1. 多层感知机（Multilayer Perceptron，MLP）
    • 结构特点：是一种简单的前馈神经网络，由输入层、一个或多个隐藏层和输出层组成。神经元之间全连接，即每个神经元与相邻层的所有神经元都有连接。例如，在一个用于手写数字识别的简单 MLP 中，输入层接收图像像素值，经过隐藏层的非线性变换后，输出层输出各个数字类别对应的概率。
    • 应用场景：广泛应用于分类和回归问题，如简单的图像分类、数据预测等。在自然语言处理领域可用于文本分类，在金融领域用于股票价格预测等。
  2. 卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）
    • 结构特点：主要由卷积层、池化层和全连接层组成。卷积层通过卷积核提取数据的局部特征，池化层进行下采样以减少数据维度和计算量，全连接层用于分类或回归等任务。例如在人脸识别任务中，卷积层可以提取人脸五官轮廓等特征。
    • 应用场景：在计算机视觉领域占据主导地位，用于图像分类（如识别图片中的物体是猫还是狗）、目标检测（检测图像中物体的位置和类别）、语义分割（将图像中的每个像素分类到不同语义类别）等。也在音频处理等领域有应用，如语音识别中的声学模型。
  3. 循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）
    • 结构特点：具有循环连接，能够处理序列数据。在每个时间步，神经元接收当前输入和上一个时间步的隐藏状态，经过处理后输出当前时间步的隐藏状态和预测结果。例如在机器翻译中，RNN 可以逐词处理输入句子和生成翻译后的句子。
    • 应用场景：自然语言处理领域的文本生成、机器翻译、情感分析等任务，以及时间序列预测，如股票走势预测、气象数据预测等。不过，传统 RNN 存在梯度消失和梯度爆炸问题。
  4. 长短期记忆网络（Long - Short Term Memory，LSTM）和门控循环单元（Gated Recurrent Unit，GRU）
    • 结构特点（以 LSTM 为例）：是 RNN 的变体，通过特殊的门控机制（输入门、遗忘门和输出门）来控制信息的流动，能够有效解决 RNN 中的梯度消失和梯度爆炸问题，更好地处理长序列数据。例如在长篇小说生成任务中，LSTM 可以有效地利用前文信息生成后续内容。GRU 结构相对更简单，将遗忘门和输入门合并为一个更新门，在性能上和 LSTM 类似，并且计算效率更高。
    • 应用场景：和 RNN 类似，主要用于自然语言处理中的长文本处理、语音识别中的语音序列处理、时间序列分析等需要处理长序列数据的任务。
  5. 生成对抗网络（Generative Adversarial Network，GAN）
    • 结构特点：由生成器和判别器两个神经网络组成。生成器的任务是生成尽可能逼真的数据，判别器的任务是区分真实数据和生成器生成的数据。两者通过对抗训练的方式不断提高性能，最终生成器能够生成高质量的假数据。例如在图像生成任务中，生成器可以根据噪声生成看起来像真实照片的图像。
    • 应用场景：图像生成（如生成高分辨率的风景照片）、数据增强（为训练数据集生成新的样本）、风格迁移（将一种图像风格转换为另一种风格）等。
  6. 自编码器（Auto - Encoder）
    • 结构特点：由编码器和解码器组成。编码器将输入数据压缩成低维的表示（编码），解码器将这个编码还原为尽可能接近原始输入的数据。例如，在图像压缩任务中，编码器将高分辨率图像转换为低维向量，解码器再将这个向量还原为图像。
    • 应用场景：数据降维、图像去噪、特征提取等。例如，在医学影像处理中，可以利用自编码器提取有价值的特征用于疾病诊断。
  7. Transformer 架构
    • 结构特点：基于自注意力机制（Self - Attention），摒弃了传统的循环结构，能够并行计算，大大提高了训练和推理速度。在处理序列数据时，通过计算每个位置与其他位置的相关性来提取特征。例如在自然语言处理中的 BERT 模型，就是基于 Transformer 架构，能够有效捕捉句子中单词之间的语义关系。
    • 应用场景：自然语言处理领域的预训练语言模型（如 GPT 系列、BERT 系列）、机器翻译等任务。在计算机视觉领域也有基于 Transformer 的模型用于图像分类等任务。

http://www.kler.cn/a/376086.html

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