torch 深度学习 (2)

torch

ConvNet

前面我们完成了数据的下载和预处理，接下来就该搭建网络模型了,CNN网络的东西可以参考博主 zouxy09的系列文章Deep Learning (深度学习) 学习笔记整理系列之 (七)

加载包

require 'torch' 
require 'image' 
require 'nn' 

函数运行参数的设置

if not opt then 
print "==> processing options" 
cmd = torch.CmdLine() 
cmd:text() 
cmd:text('options:') 
-- 选择构建何种结构:线性|MLP|ConvNet。默认：convnet 
cmd:option('-model','convnet','type of model to construct: linear | mlp | convnet') 
-- 是否需要可视化 
cmd:option('-visualize',true,'visualize input data and weights during training') 
-- 参数 
opt = cmd:parse(arg or {}) 
end 

设置网络模型用到的一些参数

-- 输出类别数，也就是输出节点个数 
noutputs =10 
-- 输入节点的个数 
nfeats = 3 -- YUV三个通道，可以认为是3个features map 
width =32 
height =32 
-- Linear 和 mlp model下的输入节点个数，就是将输入图像拉成列向量 
ninputs = nfeats*width*height 
 
-- 为mlp定义隐层节点的个数 
nhiddens = ninputs/2  
 
-- 为convnet定义隐层feature maps的个数以及滤波器的尺寸 
nstates = {16,256,128} --第一个隐层有16个feature map，第二个隐层有256个特征图，第三个隐层有128个节点 
fanin = {1,4} -- 定义了卷积层的输入和输出对应关系，以fanin[2]举例，表示该卷积层有16个map输入，256个map输出，每个输出map是有fanin[2]个输入map对应filters卷积得到的结果 
filtsize =5 --滤波器的大小，方形滤波器 
poolsize = 2 -- 池化池尺寸 
normkernel = image.gaussian1D(7) --长度为7的一维高斯模板，用来local contrast normalization 

构建模型

if opt.model == linear then  
-- 线性模型 
model = nn.Sequntial() 
model:add(nn.Reshape(ninputs)) -- 输入层 
model:add(nn.Linear(ninputs,noutputs)) -- 线性模型 y=Wx+b 
elseif opt.model == mlp then  
-- 多层感知器 
model = nn.Sequential() 
model:add(nn.Reshape(ninputs)) --输入层 
model:add(nn.Linear(ninputs,nhiddens)) --线性层 
model:add(nn.Tanh()) -- 非线性层 
model:add(nn.Linear(nhiddens,noutputs)) -- 线性层 
-- MLP 目标： `!$y=W_2 f(W_1X+b) + b $` 这里的激活函数采用的是Tanh(),MLP后面还可以接一层输出层Tanh() 
elseif opt.model == convnet then 
-- 卷积神经网络 
model = nn.Sequential() 
-- 第一阶段 
model:add(nn.SpatialConvolutionMap(nn.tables.random(nfeats,nstates[1],fanin[1]),filtsize,filtsize)) 
-- 这一步直接输入的是图像进行卷积，所以没有了 nn.Reshape(ninputs)输入层。 参数：nn.tables.random(nfeats,nstates[1],fanin[1])指定了卷积层中输入maps和输出maps之间的对应关系，这里表示bstates[1]个输出maps的每一map都是由fanin[1]个输入maps得到的。filtsize则是卷积算子的大小 
-- 所以该层的连接个数为(filtsize*filtsize*fanin[1]+1)*nstates[1],1是偏置。这里的fanin[1]连接是随机的，也可以采用全连接 nn.tables.full(nfeats,nstates[1]), 当输入maps和输出maps个数相同时，还可以采用一对一连接 nn.tables.oneToOne(nfeats). 
-- 参见解释文档 [Convolutional layers](https://github.com/torch/nn/blob/master/doc/concolution.md#nn.convlayers.dok) 
 
model:add(nn.Tanh()) --非线性变换层 
model:SpatialLPPooling(nstates[1],2,poolsize,poolsize,poolsize,poolsize) 
-- 参数(feature maps个数，Lp范数，池化尺寸大小(w,h), 滑动窗步长(dw,dh)) 
model:SpatialSubtractiveNormalization(nstates[1],normalkernel) 
-- local contrast normalization 
-- 具体操作是先在每个map的local邻域进行减法归一化，然后在不同的feature map上进行除法归一化。类似与图像点的均值化和方差归一化。参考[1^x][Nonlinear Image Representation Using Divisive Normalization], [Gaussian Scale Mixtures](stats.stackexchange.com/174502/what-are gaussian-scale-mixtures-and-how-to-generate-samples-of-gaussian-scale),还有解释文档 [Convolutional layers](https://github.com/torch/nn/blob/master/doc/concolution.md#nn.convlayers.dok) 
 
--[[ 
 这里需要说的一点是传统的CNN一般是先卷积再池化再非线性变换，但这两年CNN一般都是先非线性变换再池化了 
 --]] 
-- 第二阶段 
model:add(nn.SpatialConvolutionMap(nn.tables.random(nstates[1],nstates[2],fanin[2]),filtsize,filtsize)) 
model:add(nn.Tanh()) 
model:add(nn.SpatialLPPooling(nstates[2],2,poolsize,poolsize)) 
model:add(nn.SpatialSubtractiveNormalization(nstates[2],kernel)) 
 
--第三阶段 
model:add(nn.Reshape(nstates[2]*filtsize*filtsize)) --矢量化，全连接 
model:add(nn.Linear(nstates[2]*filtsize*filtsize,nstates[3])) 
model:add(nn.Tanh()) 
model:add(nn.Linear(nstates[3],noutputs)) 
else 
error('unknown -model') 
end 

显示网络结构以及参数

print('==> here is the model') 
print(model) 

结果如下图

model.png

可以发现，可训练参数分别在1，5部分，所以可以观察权重矩阵的大小

print('==> 权重矩阵的大小 ') 
print(model:get(1).weight:size()) 
print('==> 偏置的大小') 
print(model:get(1).bias:numel()) 

weights numel.png

参数的可视化

if opt.visualize then 
    image.display(image=model:get(1).weight, padding=2,zoom=4,legend='filters@ layer 1') 
    image.diaplay(image=model:get(5).weight,padding=2,zoom=4,legend='filters @ layer 2') 
end 

weights visualization.png