3 字符识别模型
本章将会讲解卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）的常见层，并从头搭建一个字符识别模型。
3.1 学习目标
- 学习CNN基础和原理
- 使用Pytorch框架构建CNN模型，并完成训练
3.2 CNN介绍
卷积神经网络（简称CNN）是一类特殊的人工神经网络，是深度学习中重要的一个分支。CNN在很多领域都表现优异，精度和速度比传统计算学习算法高很多。特别是在计算机视觉领域，CNN是解决图像分类、图像检索、物体检测和语义分割的主流模型。
CNN每一层由众多的卷积核组成，每个卷积核对输入的像素进行卷积操作，得到下一次的输入。随着网络层的增加卷积核会逐渐扩大感受野，并缩减图像的尺寸。
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CNN是一种层次模型，输入的是原始的像素数据。CNN通过卷积（convolution）、池化（pooling）、非线性激活函数（non-linear activation function）和全连接层（fully connected layer）构成。
如下图所示为LeNet网络结构，是非常经典的字符识别模型。两个卷积层，两个池化层，两个全连接层组成。卷积核都是5×5，stride=1，池化层使用最大池化。
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通过多次卷积和池化，CNN的最后一层将输入的图像像素映射为具体的输出。如在分类任务中会转换为不同类别的概率输出，然后计算真实标签与CNN模型的预测结果的差异，并通过反向传播更新每层的参数，并在更新完成后再次前向传播，如此反复直到训练完成 。
与传统机器学习模型相比，CNN具有一种端到端（End to End）的思路。在CNN训练的过程中是直接从图像像素到最终的输出，并不涉及到具体的特征提取和构建模型的过程，也不需要人工的参与。
3.3 CNN发展
随着网络结构的发展，研究人员最初发现网络模型结构越深、网络参数越多模型的精度更优。比较典型的是AlexNet、VGG、InceptionV3和ResNet的发展脉络。
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LeNet-5(1998)
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AlexNet(2012)
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VGG-16(2014)
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Inception-v1 (2014)
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ResNet-50 (2015)
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3.4 Pytorch构建CNN模型
在上一章节我们讲解了如何使用Pytorch来读取赛题数据集，本节我们使用本章学习到的知识构件一个简单的CNN模型，完成字符识别功能。
在Pytorch中构建CNN模型非常简单，只需要定义好模型的参数和正向传播即可，Pytorch会根据正向传播自动计算反向传播。
在本章我们会构建一个非常简单的CNN，然后进行训练。这个CNN模型包括两个卷积层，最后并联6个全连接层进行分类。
import torch
torch.manual_seed(0)
torch.backends.cudnn.deterministic = False
torch.backends.cudnn.benchmark = True
import torchvision.models as models
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision.datasets as datasets
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torch.autograd import Variable
from torch.utils.data.dataset import Dataset
# 定义模型
class SVHN_Model1(nn.Module):
def __init__(self):
super(SVHN_Model1, self).__init__()
# CNN提取特征模块
self.cnn = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2)),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2),
nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2)),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2),
)
#
self.fc1 = nn.Linear(32*3*7, 11)
self.fc2 = nn.Linear(32*3*7, 11)
self.fc3 = nn.Linear(32*3*7, 11)
self.fc4 = nn.Linear(32*3*7, 11)
self.fc5 = nn.Linear(32*3*7, 11)
self.fc6 = nn.Linear(32*3*7, 11)
def forward(self, img):
feat = self.cnn(img)
feat = feat.view(feat.shape[0], -1)
c1 = self.fc1(feat)
c2 = self.fc2(feat)
c3 = self.fc3(feat)
c4 = self.fc4(feat)
c5 = self.fc5(feat)
c6 = self.fc6(feat)
return c1, c2, c3, c4, c5, c6
model = SVHN_Model1()
接下来是训练代码：
# 损失函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# 优化器
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), 0.005)
loss_plot, c0_plot = [], []
# 迭代10个Epoch
for epoch in range(10):
for data in train_loader:
c0, c1, c2, c3, c4, c5 = model(data[0])
loss = criterion(c0, data[1][:, 0]) + \
criterion(c1, data[1][:, 1]) + \
criterion(c2, data[1][:, 2]) + \
criterion(c3, data[1][:, 3]) + \
criterion(c4, data[1][:, 4]) + \
criterion(c5, data[1][:, 5])
loss /= 6
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
loss_plot.append(loss.item())
c0_plot.append((c0.argmax(1) == data[1][:, 0]).sum().item()*1.0 / c0.shape[0])
print(epoch)
在训练完成后我们可以将训练过程中的损失和准确率进行绘制，如下图所示。从图中可以看出模型的损失在迭代过程中逐渐减小，字符预测的准确率逐渐升高。
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当然为了追求精度，也可以使用在ImageNet数据集上的预训练模型，具体方法如下：
class SVHN_Model2(nn.Module):
def __init__(self):
super(SVHN_Model1, self).__init__()
model_conv = models.resnet18(pretrained=True)
model_conv.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
model_conv = nn.Sequential(*list(model_conv.children())[:-1])
self.cnn = model_conv
self.fc1 = nn.Linear(512, 11)
self.fc2 = nn.Linear(512, 11)
self.fc3 = nn.Linear(512, 11)
self.fc4 = nn.Linear(512, 11)
self.fc5 = nn.Linear(512, 11)
def forward(self, img):
feat = self.cnn(img)
# print(feat.shape)
feat = feat.view(feat.shape[0], -1)
c1 = self.fc1(feat)
c2 = self.fc2(feat)
c3 = self.fc3(feat)
c4 = self.fc4(feat)
c5 = self.fc5(feat)
return c1, c2, c3, c4, c5
3.5 本章小节
在本章中我们介绍了CNN以及CNN的发展，并使用Pytorch构建构建了一个简易的CNN模型来完成字符分类任务。
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