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利用Pytorch进行CNN详细剖析

本文缘起于一次CNN作业中的一道题,这道题涉及到了基本的CNN网络搭建,在MNIST数据集上的分类结果,Batch Normalization的影响,Dropout的影响,卷积核大小的影响,数据集大小的影响,不同部分数据集的影响,随机数种子的影响,以及不同激活单元的影响等,能够让人比较全面地对CNN有一个了解,所以想做一下,于是有了本文。

工具

开源深度学习库: PyTorch

数据集: MNIST

实现

初始要求

利用Pytorch进行CNN详细剖析

首先建立基本的BASE网络,在Pytorch中有如下code:

class Net(nn.Module):     def __init__(self):         super(Net, self).__init__()         self.conv1 = nn.Conv2d(1, 20, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=0)         self.conv2 = nn.Conv2d(20, 50, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=0)         self.fc1 = nn.Linear(4*4*50, 500)         self.fc2 = nn.Linear(500, 10)      def forward(self, x):         x = F.max_pool2d(self.conv1(x), 2)         x = F.max_pool2d(self.conv2(x), 2)         x = x.view(-1, 4*4*50)         x = F.relu(self.fc1(x))         x = self.fc2(x)         return F.log_softmax(x) 

这部分代码见 base.py 。

问题A:预处理

利用Pytorch进行CNN详细剖析

即要求将MNIST数据集按照规则读取并且tranform到适合处理的格式。这里读取的代码沿用了BigDL Python Support的读取方式,无需细说,根据MNIST主页上的数据格式可以很快读出,关键block有读取32位比特的函数:

def _read32(bytestream):     dt = numpy.dtype(numpy.uint32).newbyteorder('>')    # 大端模式读取,最高字节在前(MSB first)     return numpy.frombuffer(bytestream.read(4), dtype=dt)[0] 

读出后是(N, 1, 28, 28)的tensor,每个像素是0-255的值,首先做一下归一化,将所有值除以255,得到一个0-1的值,然后再Normalize,训练集和测试集的均值方差都已知,直接做即可。由于训练集和测试集的均值方差都是针对归一化后的数据来说的,所以刚开始没做归一化,所以forward输出和grad很离谱,后来才发现是这里出了问题。

这部分代码见 preprocessing.py 。

问题B:BASE模型

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将random seed设置为0,在前10000个训练样本上学习参数,最后看20个epochs之后的测试集错误率。最后结果为:

Test set: Average loss: 0.0014, Accuracy: 9732/10000 (97.3%) 

可以看到,BASE模型准确率并不是那么的高。

问题C:Batch Normalization v.s BASE

利用Pytorch进行CNN详细剖析

在前三个block的卷积层之后加上Batch Normalization层,简单修改网络结构如下即可:

class Net(nn.Module):     def __init__(self):         super(Net, self).__init__()         self.conv1 = nn.Conv2d(1, 20, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=0)         self.conv2 = nn.Conv2d(20, 50, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=0)         self.fc1 = nn.Linear(4*4*50, 500)         self.fc2 = nn.Linear(500, 10)         self.bn1 = nn.BatchNorm2d(20)         self.bn2 = nn.BatchNorm2d(50)         self.bn3 = nn.BatchNorm1d(500)      def forward(self, x):         x = self.conv1(x)         x = F.max_pool2d(self.bn1(x), 2)         x = self.conv2(x)         x = F.max_pool2d(self.bn2(x), 2)         x = x.view(-1, 4*4*50)         x = self.fc1(x)         x = F.relu(self.bn3(x))         x = self.fc2(x)         return F.log_softmax(x) 

同样的参数run一下,得出加了BN的结果为:

Test set: Average loss: 0.0009, Accuracy: 9817/10000 (98.2%) 

由此可见,有明显的效果提升。

关于Batch Normalization的更多资料参见[2],[5]。

问题D: Dropout Layer

利用Pytorch进行CNN详细剖析

在最后一层即 fc2 层后加一个 Dropout(p=0.5) 后,在BASE和BN上的结果分别为:

BASE:Test set: Average loss: 0.0011, Accuracy: 9769/10000 (97.7%) BN:  Test set: Average loss: 0.0014, Accuracy: 9789/10000 (97.9%) 

观察得知,dropout能够对BASE模型起到一定提升作用,但是对BN模型却效果不明显反而降低了。

原因可能在于,BN模型中本身即包含了正则化的效果,再加一层Dropout显得没有必要反而可能影响结果。

问题E:SK model

SK model: Stacking two 3x3 conv. layers to replace 5x5 conv. layer

利用Pytorch进行CNN详细剖析

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如此一番改动后,搭建的SK模型如下:

class Net(nn.Module):     def __init__(self):         super(Net, self).__init__()         self.conv1_1 = nn.Conv2d(1, 20, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=0)         self.conv1_2 = nn.Conv2d(20, 20, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=0)         self.conv2 = nn.Conv2d(20, 50, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=0)         self.fc1 = nn.Linear(5*5*50, 500)         self.fc2 = nn.Linear(500, 10)         self.bn1_1 = nn.BatchNorm2d(20)         self.bn1_2 = nn.BatchNorm2d(20)         self.bn2 = nn.BatchNorm2d(50)         self.bn3 = nn.BatchNorm1d(500)         self.drop = nn.Dropout(p=0.5)      def forward(self, x):         x = F.relu(self.bn1_1(self.conv1_1(x)))         x = F.relu(self.bn1_2(self.conv1_2(x)))         x = F.max_pool2d(x, 2)         x = self.conv2(x)         x = F.max_pool2d(self.bn2(x), 2)         x = x.view(-1, 5*5*50)         x = self.fc1(x)         x = F.relu(self.bn3(x))         x = self.fc2(x)         return F.log_softmax(x) 

在20个epoch后,结果如下,

SK: Test set: Average loss: 0.0008, Accuracy: 9848/10000 (98.5%) 

测试集准确率得到了少许的提高。

这里利用2个3x3的卷积核来代替大的5x5卷积核,参数个数由5x5=25变为了2x3x3=18。实践表明,这样使得计算更快了,并且小的卷积层之间的ReLU也很有帮助。

VGG中就使用了这种方法。

问题F:Change Number of channels

利用Pytorch进行CNN详细剖析

通过将特征图大小乘上一个倍数,再通过shell程序执行,得到如下结果:

SK0.2:  97.7% SK0.5:  98.2% SK1:    98.5% SK1.5:  98.6% SK2:    98.5%  (max 98.7%) 

在特征图分别为4,10, 30, 40时,最终的准确度基本是往上提升的。这在一定程度上说明,在没有达到过拟合前,增大特征图的个数,即相当于提取了更多的特征,提取特征数的增加有助于精度的提高。

这部分代码见 SK_s.py 和 runSK.sh 。

问题G:Use different training set sizes

利用Pytorch进行CNN详细剖析

同样通过脚本运行,增加参数

parser.add_argument('--usedatasize', type=int, default=60000, metavar='SZ',                     help='use how many training data to train network') 

表示使用的数据大小,从前往后取 usebatchsize 个数据。

这部分程序见 SK_s.py 和 runTrainingSize.sh 。

运行的结果如下:

500:   84.2% 1000:  92.0% 2000:  94.3% 5000:  95.5% 10000: 96.6% 20000: 98.4% 60000: 99.1% 

由此可以明显地看出,数据越多,结果的精度越大。

太少的数据无法准确反映数据的整体分布情况,而且容易过拟合,数据多到一定程度效果也会不明显,不过,大多数时候我们总还是嫌数据太少,而且更多的数据获取起来也有一定难度。

问题H:Use different training sets

利用Pytorch进行CNN详细剖析

采用脚本完成,这部分程序见 SK_0.2.py 和 diffTrainingSets.sh 。

运行结果如下:

 0-10000: 98.0% 10000-20000: 97.8% 20000-30000: 97.8% 30000-40000: 97.4% 40000-50000: 97.5% 50000-60000: 97.7% 

由此可见,采用不同的训练样本集合训练出来的网络有一定的差异,虽不是很大,但是毕竟显示出了不稳定的结果。

问题I:Random Seed’s effects

利用Pytorch进行CNN详细剖析

采用 runSeed.sh 脚本完成,用到了全部60000个训练集。

运行的结果如下:

Seed      0:  98.9% Seed      1:  99.0% Seed     12:  99.1% Seed    123:  99.0% Seed   1234:  99.1% Seed  12345:  99.0% Seed 123456:  98.9% 

事实上在用上整个训练集的时候,随机数生成器的种子设置对于最后结果的影响不大。

问题J:ReLU or Sigmoid?

利用Pytorch进行CNN详细剖析

将ReLU全部换成Sigmoid后,用全部60000个训练集训练,有对比结果如下:

ReLU SK_0.2:  99.0% igmoid SK_0.2:  98.6% 

由此可以看出,在训练CNN时,使用ReLU激活单元比Sigmoid激活单元要更好一些。原因可能在于二者机制的差别,sigmoid在神经元输入值较大或者较小时,输出值会近乎0或者1,这使得许多地方的梯度几乎为0,权重几乎得不到更新。而ReLU虽然增加了计算的负担,但是它能够显著加速收敛过程,并且也不会有梯度饱和问题。


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