最快速度与最简代码搭建卷积神经网络，并快速训练模型，每日坚持手撕默写代码

大家好，我是微学AI，今天给大家介绍一下最快速度与最简代码搭建卷积神经网络，并快速训练模型，每日坚持手撕默写代码。随着人工智能的快速发展，去年有强大的大模型ChatGPT横空出世，国内的大模型也紧追其后的发布，主要包括：文心一言、ChatGLM、通义千问、百川大模型等，他们可以帮助我们编写代码，但是在实际中，高度依赖于大模型则会缺乏思考的能力，缺乏编写代码的感觉，在别人问的时候，缺乏熟练度。坚持多写代码反复进行，可以提高熟练程度，提高开发效率，锻炼记忆力。本文尝试利用最短的代码实现数据集、卷积神经网络的搭建、模型的训练，模型的评估的整个流程代码，快速熟练手打出来。

一、坚持手撕默写代码的意义：

关于坚持手撕默写代码的意义，我总结一下几点：

1.提高熟练程度：

通过手撕默写代码，我能够更加深入地理解代码的逻辑和工作原理，加深对代码的理解，并提高对编程语言和算法的熟练程度。

2.培养思维逻辑与开发效率：
手撕默写代码需要你对算法和语法有较为全面的理解，同时需要你将思路转化为具体的代码实现。这种过程能够培养我的思维逻辑能力，提高问题解决能力，提高模型库包的快速调用与开发效率。

3.探索学习新知识：
通过手撕默写代码，你会遇到各种问题和挑战，需要不断查阅资料、学习和探索，从中获得新的知识和技能。

4.锻炼记忆力：
反复手写代码可以加强对语法和细节的记忆，提高记忆力和代码的熟悉程度。

二、卷积神经网络的快速搭建

关于pytorch框架，我们经常用到的第三方库有torch，torch.nn，torchvision，这些我们要烂熟于心。

torch：torch是PyTorch的核心库，提供了张量操作、数学函数、自动求导等功能。它是一个多维数组的库，类似于NumPy，但具有GPU加速和用于深度学习的其他扩展功能。

torch.nn：torch.nn模块是PyTorch中用于构建神经网络模型的模块。它提供了各种层（如全连接层、卷积层、循环层等）和损失函数（如交叉熵损失、均方误差损失等），以及优化算法（如随机梯度下降等）的实现。

torchvision.transforms：torchvision.transforms模块提供了一系列用于图像预处理和数据增强的函数。通过该模块，可以对输入图像进行常见的操作，如裁剪、缩放、旋转、归一化等，以便更好地适应模型的输入要求。

torch.utils.data.DataLoader：torch.utils.data.DataLoader是PyTorch中用于加载和迭代数据集的工具。它可以将数据集封装成可迭代的数据加载器，支持批量加载、多线程加载和数据打乱等功能。

torchvision.datasets.FakeData：torchvision.datasets.FakeData是用于生成虚拟数据集的类。它可以根据指定的数据样式和大小生成虚拟的图像数据集，用于模型调试和测试。本文利用FakeData进行快速训练

第三方库的导入与卷积神经网络搭建：

import torch
import torch.nn as nn
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import FakeData

class CNNnet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(CNNnet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3,32,3,1,1),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Conv2d(32,64,3,1,1),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2))
        self.linear = nn.Linear(int((32/4)*(32/4)*64),2)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x =x.view(x.size(0),-1)
        x = self.linear(x)
        return x

在上述的CNNnet网络模型中，nn.Linear(int((32/4)*(32/4)64),2)中的int((32/4)(32/4)*64)是指线性层的输入特征数。在该模型中，线性层的输入来自于卷积层输出的特征图，经过reshape处理后得到的一维向量。具体地，假设输入图像的大小为 W x H，卷积核大小为 k x k，卷积层的输出通道数为 n，则经过两次最大池化后，卷积层的输出特征图的大小为 (W/4) x (H/4) x n。因此，线性层的输入特征数 num = (W/4) x (H/4) x n。
我们这里设置输入图像的大小为 32x32，卷积核大小为 3x3，卷积层的输出通道数为 64，则经过两次最大池化后，卷积层的输出特征图的大小为 (32/4)x(32/4)x64=8x8x64=4096。因此，线性层的输入特征数 num=4096。

三、模型训练代码快速编写

model = CNNnet()  # 实例化模型

criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 交叉熵损失函数
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)  # 建立Adam优化器

dataset = FakeData(size=1000,image_size=(3,32,32),num_classes=2,transform=transforms.ToTensor())
train_loader=DataLoader(dataset,batch_size=32,shuffle=True)

for epoch in range(25):
    running_loss = 0.0
    correct = 0
    total = 0
    for i, data in enumerate(train_loader, 0):
        inputs, labels = data
        optimizer.zero_grad()
        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        running_loss += loss.item()
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()
        if (i + 1) % 10 == 0:
            print('[Epoch %d, Batch %5d] Loss: %.3f | Accuracy: %.3f%%' %
                  (epoch + 1, i + 1, running_loss / 5, 100 * correct / total))
            running_loss = 0.0
            correct = 0
            total = 0

四、模型评估代码快速编写

# 模型评估
model.eval()
total = 0
correct = 0

with torch.no_grad():
    for data in train_loader:
        inputs, labels = data
        outputs = model(inputs)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy on the training dataset: %.3f%%' % (100 * correct / total))

上面的代码将模型设置为评估模式（model.eval()），然后使用torch.no_grad()上下文管理器来禁用梯度计算，以提高运行效率。在遍历训练集数据进行预测时，统计正确预测的样本数，并计算准确率。
该评估代码是在训练集上进行评估，如果需要在测试集上评估模型，需要使用测试集的数据进行评估。这里没有做扩展。

运行结果：

...
[Epoch 18, Batch    10] Loss: 0.292 | Accuracy: 99.062%
[Epoch 18, Batch    20] Loss: 0.264 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 18, Batch    30] Loss: 0.245 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 19, Batch    10] Loss: 0.208 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 19, Batch    20] Loss: 0.218 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 19, Batch    30] Loss: 0.215 | Accuracy: 99.688%
[Epoch 20, Batch    10] Loss: 0.201 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 20, Batch    20] Loss: 0.183 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 20, Batch    30] Loss: 0.165 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 21, Batch    10] Loss: 0.136 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 21, Batch    20] Loss: 0.137 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 21, Batch    30] Loss: 0.119 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 22, Batch    10] Loss: 0.108 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 22, Batch    20] Loss: 0.102 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 22, Batch    30] Loss: 0.098 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 23, Batch    10] Loss: 0.087 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 23, Batch    20] Loss: 0.083 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 23, Batch    30] Loss: 0.086 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 24, Batch    10] Loss: 0.072 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 24, Batch    20] Loss: 0.075 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 24, Batch    30] Loss: 0.075 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 25, Batch    10] Loss: 0.068 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 25, Batch    20] Loss: 0.060 | Accuracy: 100.000%
[Epoch 25, Batch    30] Loss: 0.065 | Accuracy: 100.000%
Accuracy on the training dataset: 100.000%

本文只是将模型训练的过程跑通，手打快速训练卷积神经网络网络的过程。实际应用场景中还需要将数据集分为训练集、验证集、测试集，详细的过程可以看我的往期文章。