PyTorch 实现手写数字识别

在本教程中，我们将使用 PyTorch 实现经典的手写数字识别任务。我们将使用 MNIST 数据集，这是一个包含手写数字的图像数据集。我们将介绍如何使用 PyTorch 构建、训练和评估一个简单的卷积神经网络（CNN）模型来进行手写数字识别。

1. 项目概述

手写数字识别任务是通过训练模型，让其能够识别手写数字图像并输出正确的数字类别（0-9）。MNIST 数据集包含 28x28 像素的灰度图像，每个图像代表一个手写数字。

我们将使用以下步骤：

加载 MNIST 数据集
构建一个卷积神经网络（CNN）
训练模型
评估模型性能
进行测试预测

2. 官方文档链接

PyTorch 官方文档
MNIST 数据集链接

3. 安装 PyTorch 和依赖库

首先，确保您已经安装了 PyTorch 和相关依赖库。如果没有安装，可以运行以下命令：

pip install torch torchvision matplotlib

4. 加载 MNIST 数据集

我们将使用 torchvision 提供的 MNIST 数据集。它包含 60,000 个训练样本和 10,000 个测试样本。

import torch
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets, transforms
import matplotlib.pyplot as plt# 数据预处理：将图像转换为张量，并进行标准化
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))])# 下载并加载 MNIST 训练集和测试集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)# 加载数据集
train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)# 查看数据集的大小
print(f"训练集大小: {len(train_dataset)}")
print(f"测试集大小: {len(test_dataset)}")# 可视化部分样本
examples = enumerate(train_loader)
batch_idx, (example_data, example_targets) = next(examples)
plt.figure(figsize=(10, 3))
for i in range(6):plt.subplot(1, 6, i + 1)plt.imshow(example_data[i][0], cmap='gray')plt.title(f"Label: {example_targets[i]}")plt.axis('off')
plt.show()

说明：

transforms.Compose：我们将图像转换为 PyTorch 张量，并将像素值标准化为 [-1, 1] 的范围。
DataLoader：用于将数据集加载为批次，并打乱数据顺序以便训练时使用。

5. 构建卷积神经网络（CNN）

我们将构建一个简单的 CNN 模型，用于手写数字识别。该模型将包含两个卷积层和两个全连接层。

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F# 定义 CNN 模型
class CNN(nn.Module):def __init__(self):super(CNN, self).__init__()# 卷积层1: 输入通道为1（灰度图），输出通道为16，卷积核大小为3x3self.conv1 = nn.Conv2d(1, 16, kernel_size=3)# 卷积层2: 输入通道为16，输出通道为32，卷积核大小为3x3self.conv2 = nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3)# 全连接层1: 输入为32*5*5（展平后的特征图），输出为128self.fc1 = nn.Linear(32 * 5 * 5, 128)# 全连接层2: 输入为128，输出为10（10个类别）self.fc2 = nn.Linear(128, 10)def forward(self, x):# 卷积层 + ReLU + 最大池化层x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv1(x), 2))x = F.relu(F.max_pool2d(self.conv2(x), 2))# 展平成一维向量x = x.view(-1, 32 * 5 * 5)# 全连接层 + ReLUx = F.relu(self.fc1(x))# 输出层x = self.fc2(x)return x# 实例化模型
model = CNN()
print(model)

说明：

conv1 和 conv2：卷积层用于提取图像特征。第一个卷积层从 1 个输入通道（灰度图像）转换为 16 个特征图，第二个卷积层将 16 个特征图转换为 32 个特征图。
max_pool2d：最大池化层，用于下采样特征图，将特征图尺寸减半。
fc1 和 fc2：全连接层，用于将卷积层提取到的特征进行分类。

6. 训练模型

我们将定义损失函数和优化器，然后在训练数据集上训练模型。

import torch.optim as optim# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)# 将模型移动到 GPU（如果可用）
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)# 训练模型
epochs = 5
for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0for images, labels in train_loader:images, labels = images.to(device), labels.to(device)# 前向传播outputs = model(images)loss = criterion(outputs, labels)# 反向传播和优化optimizer.zero_grad()loss.backward()optimizer.step()running_loss += loss.item()print(f"Epoch [{epoch+1}/{epochs}], Loss: {running_loss / len(train_loader):.4f}")print("训练完成！")

说明：

CrossEntropyLoss：用于分类任务的损失函数，适用于多分类问题。
optimizer：使用 Adam 优化器，能够自动调整学习率并加快收敛速度。
训练过程包括前向传播、损失计算、反向传播和参数更新。

7. 评估模型性能

在训练完成后，我们将使用测试数据集来评估模型的性能，计算模型在测试集上的准确率。

# 测试模型
model.eval()  # 切换到评估模式
correct = 0
total = 0with torch.no_grad():  # 关闭梯度计算for images, labels in test_loader:images, labels = images.to(device), labels.to(device)outputs = model(images)_, predicted = torch.max(outputs, 1)total += labels.size(0)correct += (predicted == labels).sum().item()print(f'测试集上的准确率: {100 * correct / total:.2f}%')

说明：

model.eval()：在评估模型时关闭 dropout 和 batch normalization。
torch.no_grad()：关闭梯度计算以提高测试阶段的效率。

8. 进行预测

最后，我们可以使用训练好的模型对手写数字图像进行预测。

# 从测试集中取出一个样本
example_data, example_target = next(iter(test_loader))
example_data = example_data.to(device)# 使用模型进行预测
model.eval()
with torch.no_grad():output = model(example_data)# 可视化预测结果
plt.figure(figsize=(10, 3))
for i in range(6):plt.subplot(1, 6, i + 1)plt.imshow(example_data[i][0].cpu(), cmap='gray')plt.title(f"预测: {torch.argmax(output[i]).item()}")plt.axis('off')
plt.show()