知识点回顾：
- 彩色和灰度图片测试和训练的规范写法：封装在函数中
- 展平操作：除第一个维度batchsize外全部展平
- dropout操作：训练阶段随机丢弃神经元，测试阶段eval模式关闭dropout
作业：仔细学习下测试和训练代码的逻辑，这是基础，这个代码框架后续会一直沿用，后续的重点慢慢就是转向模型定义阶段了。
昨天我们介绍了图像数据的格式以及模型定义的过程，发现和之前结构化数据的略有不同，主要差异体现在2处：
1. 模型定义的时候需要展平图像
2. 由于数据过大，需要将数据集进行分批次处理，这往往涉及到了dataset和dataloader来规范代码的组织
现在我们把注意力放在训练和测试代码的规范写法上。
单通道图片的规范写法
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决负号显示问题# 1. 数据预处理
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), # 转换为张量并归一化到[0,1]transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) # MNIST数据集的均值和标准差
])# 2. 加载MNIST数据集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data',train=True,download=True,transform=transform
)test_dataset = datasets.MNIST(root='./data',train=False,transform=transform
)# 3. 创建数据加载器
batch_size = 64 # 每批处理64个样本
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)# 4. 定义模型、损失函数和优化器
class MLP(nn.Module):def __init__(self):super(MLP, self).__init__()self.flatten = nn.Flatten() # 将28x28的图像展平为784维向量self.layer1 = nn.Linear(784, 128) # 第一层：784个输入，128个神经元self.relu = nn.ReLU() # 激活函数self.layer2 = nn.Linear(128, 10) # 第二层：128个输入，10个输出（对应10个数字类别）def forward(self, x):x = self.flatten(x) # 展平图像x = self.layer1(x) # 第一层线性变换x = self.relu(x) # 应用ReLU激活函数x = self.layer2(x) # 第二层线性变换，输出logitsreturn x# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 初始化模型
model = MLP()
model = model.to(device) # 将模型移至GPU（如果可用）criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 交叉熵损失函数，适用于多分类问题
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) # Adam优化器# 5. 训练模型（记录每个 iteration 的损失）
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs):model.train() # 设置为训练模式# 新增：记录每个 iteration 的损失all_iter_losses = [] # 存储所有 batch 的损失iter_indices = [] # 存储 iteration 序号（从1开始）for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0correct = 0total = 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data, target = data.to(device), target.to(device) # 移至GPU(如果可用)optimizer.zero_grad() # 梯度清零output = model(data) # 前向传播loss = criterion(output, target) # 计算损失loss.backward() # 反向传播optimizer.step() # 更新参数# 记录当前 iteration 的损失（注意：这里直接使用单 batch 损失，而非累加平均）iter_loss = loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)iter_indices.append(epoch * len(train_loader) + batch_idx + 1) # iteration 序号从1开始# 统计准确率和损失（原逻辑保留，用于 epoch 级统计）running_loss += iter_loss_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 每100个批次打印一次训练信息（可选：同时打印单 batch 损失）if (batch_idx + 1) % 100 == 0:print(f'Epoch: {epoch+1}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')# 原 epoch 级逻辑（测试、打印 epoch 结果）不变epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / totalepoch_test_loss, epoch_test_acc = test(model, test_loader, criterion, device)print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs} 完成 | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 绘制所有 iteration 的损失曲线plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)# 保留原 epoch 级曲线（可选）# plot_metrics(train_losses, test_losses, train_accuracies, test_accuracies, epochs)return epoch_test_acc # 返回最终测试准确率# 6. 测试模型
def test(model, test_loader, criterion, device):model.eval() # 设置为评估模式test_loss = 0correct = 0total = 0with torch.no_grad(): # 不计算梯度，节省内存和计算资源for data, target in test_loader:data, target = data.to(device), target.to(device)output = model(data)test_loss += criterion(output, target).item()_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()avg_loss = test_loss / len(test_loader)accuracy = 100. * correct / totalreturn avg_loss, accuracy # 返回损失和准确率# 7.绘制每个 iteration 的损失曲线
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 8. 执行训练和测试（设置 epochs=2 验证效果）
epochs = 2
print("开始训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")开始训练模型...
Epoch: 1/2 | Batch: 100/938 | 单Batch损失: 0.3583 | 累计平均损失: 0.6321
Epoch: 1/2 | Batch: 200/938 | 单Batch损失: 0.2035 | 累计平均损失: 0.4776
Epoch: 1/2 | Batch: 300/938 | 单Batch损失: 0.3044 | 累计平均损失: 0.4053
Epoch: 1/2 | Batch: 400/938 | 单Batch损失: 0.1427 | 累计平均损失: 0.3669
Epoch: 1/2 | Batch: 500/938 | 单Batch损失: 0.1742 | 累计平均损失: 0.3321
Epoch: 1/2 | Batch: 600/938 | 单Batch损失: 0.3089 | 累计平均损失: 0.3104
Epoch: 1/2 | Batch: 700/938 | 单Batch损失: 0.0455 | 累计平均损失: 0.2921
Epoch: 1/2 | Batch: 800/938 | 单Batch损失: 0.1018 | 累计平均损失: 0.2762
Epoch: 1/2 | Batch: 900/938 | 单Batch损失: 0.2935 | 累计平均损失: 0.2628
Epoch 1/2 完成 | 训练准确率: 92.42% | 测试准确率: 95.84%
Epoch: 2/2 | Batch: 100/938 | 单Batch损失: 0.1767 | 累计平均损失: 0.1356
Epoch: 2/2 | Batch: 200/938 | 单Batch损失: 0.1742 | 累计平均损失: 0.1289
Epoch: 2/2 | Batch: 300/938 | 单Batch损失: 0.1273 | 累计平均损失: 0.1282
Epoch: 2/2 | Batch: 400/938 | 单Batch损失: 0.2078 | 累计平均损失: 0.1234
Epoch: 2/2 | Batch: 500/938 | 单Batch损失: 0.0236 | 累计平均损失: 0.1209
Epoch: 2/2 | Batch: 600/938 | 单Batch损失: 0.0573 | 累计平均损失: 0.1193
Epoch: 2/2 | Batch: 700/938 | 单Batch损失: 0.0990 | 累计平均损失: 0.1170
Epoch: 2/2 | Batch: 800/938 | 单Batch损失: 0.1580 | 累计平均损失: 0.1152
Epoch: 2/2 | Batch: 900/938 | 单Batch损失: 0.0749 | 累计平均损失: 0.1139
Epoch 2/2 完成 | 训练准确率: 96.63% | 测试准确率: 96.93%
训练完成！最终测试准确率: 96.93%
彩色图片的规范写法
彩色的通道也是在第一步被直接展平，其他代码一致
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置中文字体支持
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei"]
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决负号显示问题# 1. 数据预处理
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(), # 转换为张量transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5)) # 标准化处理
])# 2. 加载CIFAR-10数据集
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=transform
)test_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=False,transform=transform
)# 3. 创建数据加载器
batch_size = 64
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)# 4. 定义MLP模型（适应CIFAR-10的输入尺寸）
class MLP(nn.Module):def __init__(self):super(MLP, self).__init__()self.flatten = nn.Flatten() # 将3x32x32的图像展平为3072维向量self.layer1 = nn.Linear(3072, 512) # 第一层：3072个输入，512个神经元self.relu1 = nn.ReLU()self.dropout1 = nn.Dropout(0.2) # 添加Dropout防止过拟合self.layer2 = nn.Linear(512, 256) # 第二层：512个输入，256个神经元self.relu2 = nn.ReLU()self.dropout2 = nn.Dropout(0.2)self.layer3 = nn.Linear(256, 10) # 输出层：10个类别def forward(self, x):# 第一步：将输入图像展平为一维向量x = self.flatten(x) # 输入尺寸: [batch_size, 3, 32, 32] → [batch_size, 3072]# 第一层全连接 + 激活 + Dropoutx = self.layer1(x) # 线性变换: [batch_size, 3072] → [batch_size, 512]x = self.relu1(x) # 应用ReLU激活函数x = self.dropout1(x) # 训练时随机丢弃部分神经元输出# 第二层全连接 + 激活 + Dropoutx = self.layer2(x) # 线性变换: [batch_size, 512] → [batch_size, 256]x = self.relu2(x) # 应用ReLU激活函数x = self.dropout2(x) # 训练时随机丢弃部分神经元输出# 第三层（输出层）全连接x = self.layer3(x) # 线性变换: [batch_size, 256] → [batch_size, 10]return x # 返回未经过Softmax的logits# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 初始化模型
model = MLP()
model = model.to(device) # 将模型移至GPU（如果可用）criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 交叉熵损失函数
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) # Adam优化器# 5. 训练模型（记录每个 iteration 的损失）
def train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs):model.train() # 设置为训练模式# 记录每个 iteration 的损失all_iter_losses = [] # 存储所有 batch 的损失iter_indices = [] # 存储 iteration 序号for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0correct = 0total = 0for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):data, target = data.to(device), target.to(device) # 移至GPUoptimizer.zero_grad() # 梯度清零output = model(data) # 前向传播loss = criterion(output, target) # 计算损失loss.backward() # 反向传播optimizer.step() # 更新参数# 记录当前 iteration 的损失iter_loss = loss.item()all_iter_losses.append(iter_loss)iter_indices.append(epoch * len(train_loader) + batch_idx + 1)# 统计准确率和损失running_loss += iter_loss_, predicted = output.max(1)total += target.size(0)correct += predicted.eq(target).sum().item()# 每100个批次打印一次训练信息if (batch_idx + 1) % 100 == 0:print(f'Epoch: {epoch+1}/{epochs} | Batch: {batch_idx+1}/{len(train_loader)} 'f'| 单Batch损失: {iter_loss:.4f} | 累计平均损失: {running_loss/(batch_idx+1):.4f}')# 计算当前epoch的平均训练损失和准确率epoch_train_loss = running_loss / len(train_loader)epoch_train_acc = 100. * correct / total# 测试阶段model.eval() # 设置为评估模式test_loss = 0correct_test = 0total_test = 0with torch.no_grad():for data, target in test_loader:data, target = data.to(device), target.to(device)output = model(data)test_loss += criterion(output, target).item()_, predicted = output.max(1)total_test += target.size(0)correct_test += predicted.eq(target).sum().item()epoch_test_loss = test_loss / len(test_loader)epoch_test_acc = 100. * correct_test / total_testprint(f'Epoch {epoch+1}/{epochs} 完成 | 训练准确率: {epoch_train_acc:.2f}% | 测试准确率: {epoch_test_acc:.2f}%')# 绘制所有 iteration 的损失曲线plot_iter_losses(all_iter_losses, iter_indices)return epoch_test_acc # 返回最终测试准确率# 6. 绘制每个 iteration 的损失曲线
def plot_iter_losses(losses, indices):plt.figure(figsize=(10, 4))plt.plot(indices, losses, 'b-', alpha=0.7, label='Iteration Loss')plt.xlabel('Iteration（Batch序号）')plt.ylabel('损失值')plt.title('每个 Iteration 的训练损失')plt.legend()plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()# 7. 执行训练和测试
epochs = 20 # 增加训练轮次以获得更好效果
print("开始训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")# # 保存模型
# torch.save(model.state_dict(), 'cifar10_mlp_model.pth')
# # print("模型已保存为: cifar10_mlp_model.pth")由于深度mlp的参数过多，为了避免过拟合在这里引入了dropout这个操作，他可以在训练阶段随机丢弃一些神经元，避免过拟合情况。dropout的取值也是超参数。
在测试阶段，由于开启了eval模式，会自动关闭dropout。
可以继续调用这个函数来复用。
# 7. 执行训练和测试
epochs = 20 # 增加训练轮次以获得更好效果
print("开始训练模型...")
final_accuracy = train(model, train_loader, test_loader, criterion, optimizer, device, epochs)
print(f"训练完成！最终测试准确率: {final_accuracy:.2f}%")此时你会发现MLP（多层感知机）在图像任务上表现较差（即使增加深度和轮次也只能达到 50-55% 准确率），主要原因与图像数据的空间特性和MLP 的结构缺陷密切相关。
1. MLP 的每一层都是全连接层，输入图像会被展平为一维向量（如 CIFAR-10 的 32x32x3 图像展平为 3072 维向量）。图像中相邻像素通常具有强相关性（如边缘、纹理），但 MLP 将所有像素视为独立特征，无法利用局部空间结构。例如，识别 “汽车轮胎” 需要邻近像素的组合信息，而 MLP 需通过大量参数单独学习每个像素的关联，效率极低。
2. 深层 MLP 的参数规模呈指数级增长，容易过拟合。
所以我们接下来将会学习CNN架构，CNN架构的参数规模相对较小，且训练速度更快，而且CNN架构可以解决图像识别问题，而MLP不能。
@浙大疏锦行
