PyTorch与PyTorch-Lightning构建ANN和CNN模型教程

资源摘要信息: "本资源是一套基于PyTorch和PyTorch-Lightning框架构建的人工神经网络（ANN）和卷积神经网络（CNN）模型，用于处理MNIST手写字符识别数据集。资源包中包含实验报告、源代码以及数据集，并详细描述了如何使用PyTorch-Lightning搭建训练框架，以及如何通过自定义的MnistDataLoader和pl.Trainer()进行模型训练和参数配置。" 知识点详细说明: 1. PyTorch框架简介: PyTorch是一个开源的机器学习库，用于使用GPU加速的张量计算以及深度神经网络的构建和训练。它的动态计算图特性使其在研究界特别受欢迎，因为能够提供更灵活的编程体验。 2. PyTorch-Lightning框架简介: PyTorch-Lightning是一个高级的PyTorch封装库，旨在简化深度学习项目中的复杂性。它通过定义好的“最佳实践”，来帮助开发者更容易地编写可复现的模型代码，并优化性能。Lightning的核心是训练循环抽象，它允许开发者集中于研究而不必担心底层细节。 3. 人工神经网络（ANN）: 人工神经网络是一种模仿生物神经网络（人脑）行为的算法，用于执行机器学习任务。 ANN由多层简单的、相互连接的处理单元（神经元）组成，每个神经元可以输出一个信号，当它接收到足够多的输入信号时就会被激活。 4. 卷积神经网络（CNN）: CNN是一种特别适合图像识别任务的深度学习模型，它包含卷积层、池化层和全连接层等多种结构。CNN通过自动学习空间层次的特征来处理图像数据，这使得其在图像识别、视频分析和自然语言处理等领域有着广泛的应用。 5. MNIST手写字符识别数据集: MNIST数据集是机器学习领域常用的一个数据集，包含了0到9的手写数字图像。这些图像都是灰度图，大小为28x28像素，并被转换为784个元素的数组。数据集通常被分为60,000个训练样本和10,000个测试样本。MNIST数据集是深度学习初学者的入门级学习资源。 6. CUDA: CUDA是NVIDIA推出的一个并行计算平台和编程模型，它使得开发者可以利用NVIDIA的GPU来加速计算密集型任务。在深度学习中，CUDA被用来加速模型的训练过程，特别是在处理大规模数据集时。 7. 数据加载与处理: 在深度学习中，合理地加载和预处理数据是非常关键的步骤。PyTorch提供了DataLoader和Dataset类，允许用户定义自己的数据加载逻辑。例如，在本资源中，就使用了自定义的MnistDataLoader来加载MNIST数据集。 8. 训练脚本和全局种子: 在PyTorch-Lightning中，可以通过特定的入口脚本（例如cnn_main.py）来定义和执行训练任务。通过设置Global Seed（全局种子），可以保证在不同运行之间得到可重复的结果，这对于实验验证和结果比较至关重要。 9. 使用GPU进行训练: 现代深度学习项目中，GPU由于其强大的并行处理能力，已经成为加速训练过程的重要工具。在PyTorch-Lightning中，可以通过简单配置来选择是否使用GPU进行模型训练。 10. 训练循环的配置: PyTorch-Lightning提供了一个pl.Trainer()类，允许开发者自定义训练循环的诸多参数，如epoch数量、学习率策略、验证集处理等，从而使得训练过程更加灵活和可控。 11. Python编程语言: Python是一种广泛使用的高级编程语言，以简洁易读的代码风格著称。在本资源中，所有的深度学习模型都是使用Python编写的，Python因其强大的库生态（如NumPy、Pandas、Matplotlib、PyTorch等）在数据科学和机器学习领域有着广泛的应用。 12. Windows环境下的安装与配置: 资源包中提供了在Windows 10环境下进行安装和配置的具体信息，包括Conda环境、Python版本、PyTorch和PyTorch-Lightning版本等，这对于在个人电脑上搭建深度学习开发环境是很有帮助的。