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通过代码认识 CNN：用 PyTorch 实现卷积神经网络识别手写数字

news 2025/8/29 19:08:01

一、从代码看 CNN 的核心组件

二、准备工作：库导入与数据加载

三、核心：用代码实现 CNN 并理解各层作用

1.网络层结构

2.重点理解：卷积层参数与输出尺寸计算

四、训练 CNN

五、结果分析

卷积神经网络（CNN）是计算机视觉领域的核心模型，相比全连接网络，它能更高效地提取图像特征。本文不空谈理论，而是通过 PyTorch 代码实现一个完整的 CNN 模型，带你在实战中理解卷积、池化等核心概念，掌握 CNN 的工作原理。

一、从代码看 CNN 的核心组件

在实现模型前，先明确 CNN 的三个核心层 —— 这些是区别于全连接网络的关键，后续代码会逐一对应：

卷积层（Conv2d）：通过滑动窗口提取局部特征（如边缘、纹理）；
激活层（ReLU）：引入非线性，让模型学习复杂模式；
池化层（MaxPool2d）：降低特征图尺寸，减少计算量，增强鲁棒性。

我们将用这些组件构建一个识别 MNIST 手写数字的 CNN 模型，边写代码边解释原理。

二、准备工作：库导入与数据加载

首先导入必要的库，加载 MNIST 数据集（28×28 的手写数字图片）：

import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import ToTensor# 加载MNIST数据集
training_data = datasets.MNIST(root="data",train=True,download=True,transform=ToTensor()  # 转为张量，形状为[1,28,28]
)
test_data = datasets.MNIST(root="data",train=False,download=True,transform=ToTensor()
)# 按批次加载数据（每批64张图）
batch_size = 64
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=batch_size)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=batch_size)# 查看数据形状（[批次, 通道, 高度, 宽度]）
for X, y in test_dataloader:print(f"数据形状: {X.shape}")  # 输出：torch.Size([64, 1, 28, 28])break

关键说明：MNIST 图片是单通道（灰度图），所以输入形状为[N,1,28,28]（N 为批次大小），这会影响后续卷积层的参数设置。

三、核心：用代码实现 CNN 并理解各层作用

1.网络层结构

我们构建一个包含 4 个卷积块的 CNN 模型，每个卷积块由 “卷积层 + 激活层” 组成，部分块后添加池化层。通过代码注释详细说明每层的作用和参数含义。

# 自动选择设备（优先GPU）
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print(f"使用设备: {device}")class CNN(nn.Module):def __init__(self):super(CNN, self).__init__()# 第一个卷积块：卷积层+激活层+池化层self.conv1 = nn.Sequential(# 卷积层：输入1通道，输出16通道，卷积核5×5，步长1，填充2nn.Conv2d(in_channels=1,    # 输入通道数（灰度图为1）out_channels=16,  # 输出通道数（16个不同的卷积核）kernel_size=5,    # 卷积核大小5×5stride=1,         # 步长1（每次滑动1个像素）padding=2         # 填充2（保持输出尺寸与输入一致：28→28）),nn.ReLU(),  # 激活层：引入非线性，过滤负值# 池化层：2×2窗口，步长2，输出尺寸变为14×14（28/2）nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2))# 第二个卷积块：卷积层+激活层（无池化）self.conv2 = nn.Sequential(# 输入16通道（上一层输出），输出32通道，卷积核3×3nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.ReLU()  # 输出尺寸保持14×14)# 第三个卷积块：卷积层+激活层+池化层self.conv3 = nn.Sequential(nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(2, 2)  # 输出尺寸变为7×7（14/2）)# 第四个卷积块：卷积层+激活层（无池化）self.conv4 = nn.Sequential(nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.ReLU()  # 输出尺寸保持7×7)# 全连接层：将特征图转为10个类别（0-9）self.fc = nn.Linear(128 * 7 * 7, 10)  # 128通道×7×7尺寸def forward(self, x):# 前向传播：数据依次经过各层x = self.conv1(x)  # 输出形状：[N,16,14,14]x = self.conv2(x)  # 输出形状：[N,32,14,14]x = self.conv3(x)  # 输出形状：[N,64,7,7]x = self.conv4(x)  # 输出形状：[N,128,7,7]x = x.view(x.size(0), -1)  # 展平：[N,128×7×7]x = self.fc(x)     # 输出形状：[N,10]（10个类别分数）return x# 创建模型并移动到设备
model = CNN().to(device)
print("CNN模型结构：")
print(model)

2.重点理解：卷积层参数与输出尺寸计算

以第一个卷积层为例，输入是[64,1,28,28]（64 张图，1 通道，28×28），经过kernel_size=5, padding=2, stride=1的卷积后，输出尺寸计算公式：

输出尺寸 = (输入尺寸 - 卷积核大小 + 2×填充) / 步长 + 1
即：(28 - 5 + 2×2)/1 + 1 = 28

所以输出仍为 28×28，再经 2×2 池化后变为 14×14—— 这就是卷积层如何在保留特征的同时控制尺寸的核心逻辑。

四、训练 CNN

CNN 的训练流程和全连接网络类似，我们将训练轮次调整为 10 轮，既能保证模型收敛，又能节省训练时间。定义训练和测试函数如下：

# 损失函数（多分类用交叉熵）
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
# 优化器（Adam，学习率0.0001）
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0001)# 训练函数
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):model.train()  # 开启训练模式batch_num = 1for X, y in dataloader:X, y = X.to(device), y.to(device)# 前向传播：计算预测pred = model(X)loss = loss_fn(pred, y)# 反向传播：更新参数optimizer.zero_grad()  # 梯度清零loss.backward()        # 计算梯度optimizer.step()       # 更新参数# 每100批次打印一次损失if batch_num % 100 == 1:print(f"批次 {batch_num} | 损失: {loss.item():.4f}")batch_num += 1# 测试函数
def test(dataloader, model, loss_fn):model.eval()  # 开启测试模式size = len(dataloader.dataset)num_batches = len(dataloader)correct = 0test_loss = 0with torch.no_grad():  # 禁用梯度计算for X, y in dataloader:X, y = X.to(device), y.to(device)pred = model(X)test_loss += loss_fn(pred, y).item()correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()# 计算准确率和平均损失test_loss /= num_batchescorrect /= sizeprint(f"\n测试集：准确率 {100*correct:.2f}% | 平均损失 {test_loss:.4f}\n")# 开始训练（10轮）
print("="*50)
print("开始训练CNN模型（10轮）")
print("="*50)
for epoch in range(10):print(f"轮次 {epoch+1}/10")print("-"*30)train(train_dataloader, model, loss_fn, optimizer)# 每2轮测试一次if (epoch+1) % 2 == 0:test(test_dataloader, model, loss_fn)
print("="*50)
print("训练结束")

五、结果分析

轮次 10/10
------------------------------
批次 1 | 损失: 0.0002
批次 101 | 损失: 0.0000
批次 201 | 损失: 0.0015
批次 301 | 损失: 0.0190
批次 401 | 损失: 0.0003
批次 501 | 损失: 0.0008
批次 601 | 损失: 0.0001
批次 701 | 损失: 0.0065
批次 801 | 损失: 0.0019
批次 901 | 损失: 0.0310测试集：准确率 99.17% | 平均损失 0.0355==================================================
训练结束

即使只训练 10 轮，CNN 在测试集上的准确率通常也能达到99% 以上，明显高于同轮次的全连接网络。这体现了 CNN 的高效性，原因在于：

局部感受野：卷积层通过滑动窗口只关注局部像素，更符合图像的局部相关性；
权值共享：同一通道的卷积核参数共享，大幅减少参数数量（全连接层 784→128 需要近 10 万个参数，而 5×5 的卷积层 1→16 仅需 400 个参数）；
池化层：通过下采样保留关键特征，增强模型对图像位移、缩放的鲁棒性。

这些特性让 CNN 在较少的训练轮次下就能达到较好的性能。

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http://www.xdnf.cn/news/1383535.html