PyTorch RNN Classification

?循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有了記憶, 對于序列話的數(shù)據(jù),循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能達到更好的效果.

更多可以查看官網(wǎng) :
* PyTorch 官網(wǎng)


MNIST手寫體

import torch
from torch import nn
from torch.autograd import Variable
import torchvision.datasets as dsets
import torchvision.transforms as transforms
import matplotlib.pyplot as plt


torch.manual_seed(1)    # reproducible

# Hyper Parameters
EPOCH = 1           # 訓(xùn)練整批數(shù)據(jù)多少次, 為了節(jié)約時間, 只訓(xùn)練一次
BATCH_SIZE = 64
TIME_STEP = 28      # rnn 時間步數(shù) / 圖片高度
INPUT_SIZE = 28     # rnn 每步輸入值 / 圖片每行像素
LR = 0.01           # learning rate
DOWNLOAD_MNIST = True  # 如果你已經(jīng)下載好了mnist數(shù)據(jù)就寫上 Fasle


# Mnist 手寫數(shù)字
train_data = torchvision.datasets.MNIST(
    root='./mnist/',    # 保存或者提取位置
    train=True,  # this is training data
    transform=torchvision.transforms.ToTensor(),    # 轉(zhuǎn)換 PIL.Image or numpy.ndarray 成
                                                    # torch.FloatTensor (C x H x W), 訓(xùn)練的時候 normalize 成 [0.0, 1.0] 區(qū)間
    download=DOWNLOAD_MNIST,          # 沒下載就下載, 下載了就不用再下了
)
還是他QAQ,來自MNIST數(shù)據(jù)集的示例圖像

黑色的地方的值都是0, 白色的地方值大于0.

同樣, 除了訓(xùn)練數(shù)據(jù), 還給一些測試數(shù)據(jù), 測試看看它有沒有訓(xùn)練好.

test_data = torchvision.datasets.MNIST(root='./mnist/', train=False)

# 批訓(xùn)練 50samples, 1 channel, 28x28 (50, 1, 28, 28)
train_loader = Data.DataLoader(dataset=train_data, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)

# 為了節(jié)約時間, 我們測試時只測試前2000個
test_x = Variable(torch.unsqueeze(test_data.test_data, dim=1), volatile=True).type(torch.FloatTensor)[:2000]/255.   # shape from (2000, 28, 28) to (2000, 1, 28, 28), value in range(0,1)
test_y = test_data.test_labels[:2000]

RNN模型

和以前一樣, 用一個 class 來建立 RNN 模型. 這個 RNN 整體流程是

  1. (input0, state0) -> LSTM -> (output0, state1);
  2. (input1, state1) -> LSTM -> (output1, state2);
  3. ...
  4. (inputN, stateN)-> LSTM -> (outputN, stateN+1);
  5. outputN -> Linear -> prediction.

通過LSTM分析每一時刻的值, 并且將這一時刻和前面時刻的理解合并在一起, 生成當(dāng)前時刻對前面數(shù)據(jù)的理解或記憶. 傳遞這種理解給下一時刻分析.

class RNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(RNN, self).__init__()

        self.rnn = nn.LSTM(     # LSTM 效果要比 nn.RNN() 好多了
            input_size=28,      # 圖片每行的數(shù)據(jù)像素點
            hidden_size=64,     # rnn hidden unit
            num_layers=1,       # 有幾層 RNN layers
            batch_first=True,   # input & output 會是以 batch size 為第一維度的特征集 e.g. (batch, time_step, input_size)
        )

        self.out = nn.Linear(64, 10)    # 輸出層

    def forward(self, x):
        # x shape (batch, time_step, input_size)
        # r_out shape (batch, time_step, output_size)
        # h_n shape (n_layers, batch, hidden_size)   LSTM 有兩個 hidden states, h_n 是分線, h_c 是主線
        # h_c shape (n_layers, batch, hidden_size)
        r_out, (h_n, h_c) = self.rnn(x, None)   # None 表示 hidden state 會用全0的 state

        # 選取最后一個時間點的 r_out 輸出
        # 這里 r_out[:, -1, :] 的值也是 h_n 的值
        out = self.out(r_out[:, -1, :])
        return out

rnn = RNN()
print(rnn)
"""
RNN (
  (rnn): LSTM(28, 64, batch_first=True)
  (out): Linear (64 -> 10)
)
"""

訓(xùn)練

將圖片數(shù)據(jù)看成一個時間上的連續(xù)數(shù)據(jù), 每一行的像素點都是這個時刻的輸入, 讀完整張圖片就是從上而下的讀完了每行的像素點,然后拿出 RNN 在最后一步的分析值判斷圖片是哪一類.

optimizer = torch.optim.Adam(rnn.parameters(), lr=LR)   # optimize all parameters
loss_func = nn.CrossEntropyLoss()   # the target label is not one-hotted

# training and testing
for epoch in range(EPOCH):
    for step, (x, y) in enumerate(train_loader):   # gives batch data
        b_x = Variable(x.view(-1, 28, 28))   # reshape x to (batch, time_step, input_size)
        b_y = Variable(y)   # batch y

        output = rnn(b_x)               # rnn output
        loss = loss_func(output, b_y)   # cross entropy loss
        optimizer.zero_grad()           # clear gradients for this training step
        loss.backward()                 # backpropagation, compute gradients
        optimizer.step()                # apply gradients
"""
...
Epoch:  0 | train loss: 0.0945 | test accuracy: 0.94
Epoch:  0 | train loss: 0.0984 | test accuracy: 0.94
Epoch:  0 | train loss: 0.0332 | test accuracy: 0.95
Epoch:  0 | train loss: 0.1868 | test accuracy: 0.96
"""

最后取10個數(shù)據(jù), 看看預(yù)測的值到底對不對:

test_output = rnn(test_x[:10].view(-1, 28, 28))
pred_y = torch.max(test_output, 1)[1].data.numpy().squeeze()
print(pred_y, 'prediction number')
print(test_y[:10], 'real number')
"""
[7 2 1 0 4 1 4 9 5 9] prediction number
[7 2 1 0 4 1 4 9 5 9] real number
"""
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