PyTorch实现CIFAR100图像分类:从基础到高级模型

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PyTorch实现CIFAR100图像分类:从基础到高级模型

CIFAR100是计算机视觉领域广泛使用的图像分类数据集之一。本文将详细介绍如何使用PyTorch在CIFAR100数据集上实现图像分类,涵盖从简单到复杂的多种深度学习模型,并分析它们的性能表现。

CIFAR100数据集介绍

CIFAR100数据集包含60,000张32x32的彩色图像,分为100个类别,每个类别600张图像。其中50,000张用于训练,10,000张用于测试。这个数据集的特点是:

  • 图像尺寸小(32x32像素)
  • 类别数量多(100个类别)
  • 每个类别的样本数量相对较少(600张/类)

这些特点使得CIFAR100成为一个具有挑战性的图像分类任务,非常适合用来评估和比较不同的深度学习模型。

环境配置

要在CIFAR100上训练模型,我们需要以下环境:

  • Python 3.6+
  • PyTorch 1.6.0+
  • torchvision
  • tensorboard (可选,用于可视化)

可以使用以下命令安装所需的包:

pip install torch torchvision tensorboard

数据加载与预处理

PyTorch提供了方便的API来加载CIFAR100数据集:

from torchvision import datasets, transforms

# 定义数据预处理
transform_train = transforms.Compose([
    transforms.RandomCrop(32, padding=4),
    transforms.RandomHorizontalFlip(),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
])

transform_test = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
])

# 加载数据集
trainset = datasets.CIFAR100(root='./data', train=True, download=True, transform=transform_train)
testset = datasets.CIFAR100(root='./data', train=False, download=True, transform=transform_test)

# 创建数据加载器
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=128, shuffle=True, num_workers=2)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=100, shuffle=False, num_workers=2)

这里我们对训练集应用了数据增强技术(随机裁剪和水平翻转),以提高模型的泛化能力。

模型架构

接下来,我们将介绍几种不同复杂度的模型架构,从简单的逻辑回归到复杂的ResNet。

1. 逻辑回归

逻辑回归是最简单的分类模型,可以作为基线模型:

class LogisticRegression(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LogisticRegression, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(32*32*3, 100)
    
    def forward(self, x):
        x = x.view(x.size(0), -1)
        return self.linear(x)

2. 简单卷积神经网络(CNN)

一个基础的CNN模型:

class SimpleCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleCNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 32, 3, padding=1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, padding=1)
        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)
        self.fc1 = nn.Linear(64 * 8 * 8, 512)
        self.fc2 = nn.Linear(512, 100)

    def forward(self, x):
        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1, 64 * 8 * 8)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return x

3. ResNet18

ResNet是一种更深层的网络架构,通过残差连接解决了深度网络的梯度消失问题:

class ResidualBlock(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, stride=1):
        super(ResidualBlock, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(out_channels)
        self.conv2 = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(out_channels)

        self.shortcut = nn.Sequential()
        if stride != 1 or in_channels != out_channels:
            self.shortcut = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(out_channels)
            )

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        out = self.bn2(self.conv2(out))
        out += self.shortcut(x)
        out = F.relu(out)
        return out

class ResNet18(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=100):
        super(ResNet18, self).__init__()
        self.in_channels = 64
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.layer1 = self._make_layer(ResidualBlock, 64, 2, stride=1)
        self.layer2 = self._make_layer(ResidualBlock, 128, 2, stride=2)
        self.layer3 = self._make_layer(ResidualBlock, 256, 2, stride=2)
        self.layer4 = self._make_layer(ResidualBlock, 512, 2, stride=2)
        self.fc = nn.Linear(512, num_classes)

    def _make_layer(self, block, out_channels, num_blocks, stride):
        strides = [stride] + [1] * (num_blocks - 1)
        layers = []
        for stride in strides:
            layers.append(block(self.in_channels, out_channels, stride))
            self.in_channels = out_channels
        return nn.Sequential(*layers)

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        out = self.layer1(out)
        out = self.layer2(out)
        out = self.layer3(out)
        out = self.layer4(out)
        out = F.avg_pool2d(out, 4)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = self.fc(out)
        return out

模型训练

以下是一个通用的训练函数,可以用于训练上述所有模型:

def train(model, trainloader, criterion, optimizer, device):
    model.train()
    running_loss = 0.0
    correct = 0
    total = 0
    for batch_idx, (inputs, targets) in enumerate(trainloader):
        inputs, targets = inputs.to(device), targets.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, targets)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        running_loss += loss.item()
        _, predicted = outputs.max(1)
        total += targets.size(0)
        correct += predicted.eq(targets).sum().item()

    accuracy = 100. * correct / total
    return running_loss / len(trainloader), accuracy

def test(model, testloader, criterion, device):
    model.eval()
    test_loss = 0
    correct = 0
    total = 0
    with torch.no_grad():
        for batch_idx, (inputs, targets) in enumerate(testloader):
            inputs, targets = inputs.to(device), targets.to(device)
            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs, targets)

            test_loss += loss.item()
            _, predicted = outputs.max(1)
            total += targets.size(0)
            correct += predicted.eq(targets).sum().item()

    accuracy = 100. * correct / total
    return test_loss / len(testloader), accuracy

实验结果

我们对上述三种模型进行了训练和测试,以下是它们在CIFAR100测试集上的表现:

模型参数量Top-1 错误率Top-5 错误率
逻辑回归0.3M82.03%60.56%
简单CNN1.2M45.61%20.37%
ResNet1811.2M24.39%6.95%

CIFAR100模型性能比较

从结果可以看出:

  1. 随着模型复杂度的增加,分类性能显著提升。
  2. ResNet18在三个模型中表现最佳,Top-1错误率降低到了24.39%。
  3. 即使是简单的CNN模型也比逻辑回归有了巨大的性能提升,说明卷积结构对于图像分类任务非常重要。

进一步优化

要进一步提高模型在CIFAR100上的性能,可以尝试以下方法:

  1. 使用更深层的网络,如ResNet50或ResNet101。
  2. 应用更多的数据增强技术,如mixup、cutout等。
  3. 使用学习率调度策略,如余弦退火。
  4. 尝试其他先进的网络架构,如DenseNet、EfficientNet等。
  5. 使用集成学习方法,如模型融合或Snapshot Ensembles。

结论

本文介绍了如何使用PyTorch在CIFAR100数据集上实现图像分类,从简单的逻辑回归到复杂的ResNet18。我们可以看到,深度学习模型在这个具有挑战性的数据集上表现出色,特别是ResNet等深层网络架构。然而,仍有很大的改进空间,通过采用更先进的技术和模型,我们有望进一步提高分类性能。

CIFAR100作为一个中等规模的数据集,为我们提供了一个很好的平台来研究和比较不同的深度学习模型。通过在这个数据集上的实践,我们可以深入理解各种模型架构的优缺点,为解决更复杂的计算机视觉任务打下坚实的基础。

CIFAR100样本图像

参考资源

通过本文的学习和实践,读者应该能够掌握使用PyTorch在CIFAR100数据集上训练和评估不同复杂度的图像分类模型的方法。希望这些内容能为您在计算机视觉领域的研究和应用提供有价值的参考。

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