DAY 39 图像数据与显存
知识点回顾
- 图像数据的格式：灰度和彩色数据
- 模型的定义
- 显存占用的4种地方
- 模型参数+梯度参数
- 优化器参数
- 数据批量所占显存
- 神经元输出中间状态
- batchisize和训练的关系
作业：今日代码较少，理解内容即可
一、知识点通俗解释 + 趣味比喻
1. 图像数据的格式：灰度和彩色数据
含义：
- 灰度图像：像黑白老照片，每个像素用一个数值表示明暗，数值范围通常 0 - 255（0 最黑，255 最白 ）。
- 彩色图像：常见的 RGB 格式，每个像素用红、绿、蓝三个数值组合表示颜色，每个通道数值也是 0 - 255，不同组合能调出千万种色彩 。
比喻：
把图像想象成 “颜料画”。灰度图像是只用 “黑颜料” 调深浅画的画；彩色图像是用 “红、绿、蓝三种颜料” 搭配，画出五彩斑斓画面的画 ，每个像素就是不同颜料混合的 “小配方”。
2. 模型的定义
含义：搭建深度学习模型（比如 CNN 卷积神经网络 ），就像设计一套 “图像加工厂流水线” 。定义输入图像怎么一步步被处理，从提取简单边缘、纹理等特征，到组合特征识别复杂物体（像分类猫狗图像时，先找轮廓、毛发纹理，再判断整体类别 ），涉及层的堆叠（卷积层、池化层、全连接层等 ）、参数设置（卷积核数量、大小等 ）。
比喻：
模型是 “智能分拣机” 设计图。要规定好机器怎么看输入的 “包裹”（图像 ），先扫描（卷积 ）找表面特征，再缩小范围看重点（池化 ），最后根据特征判断包裹该分到 “猫”“狗” 哪个类别，每一步的操作逻辑和硬件配置（模型结构、参数 ）都要在设计图（模型定义 ）里写清楚 。
3. 显存占用的 4 种地方
a. 模型参数 + 梯度参数
- 模型参数：模型里各层的 “配置数据”，比如卷积核的数值，是模型 “认识世界” 的 “知识储备”，训练时会更新优化 。
- 梯度参数：训练中计算的 “调整方向和幅度” 数据，告诉模型参数往哪个方向改、改多少，能让预测更准 。
比喻：
把模型训练想成 “学生备考”。模型参数是学生原本记住的 “知识点”（知识储备 ）；梯度参数是做题后，老师给的 “错题纠正方向”（告诉学生知识点该咋调整 ），两者都要占 “脑子内存”（显存 ）来存 。
b. 优化器参数
含义：优化器（比如 Adam、SGD ）用来调整模型参数，它自己也需要一些参数记录状态，像 Adam 优化器要存动量相关数据，帮它决定每一步调整的 “力度和节奏” 。
比喻：
优化器是 “学习教练”，教练指导学生（模型 ）调整知识点（参数 ）时，得记着学生之前学习状态（比如上次进步快慢 ），这些 “教学记录” 就要占 “教练的笔记本内存”（显存 里优化器参数的空间 ）。
c. 数据批量所占显存
含义：训练时，一次喂给模型的一批图像数据（batch ）要暂存到显存，模型基于这批数据算预测、比标签、调参数 。
比喻：
模型训练是 “食堂做菜”，数据批量是 “一次准备的食材量”。食堂（模型 ）做菜时，得把一批食材（图像数据 ）放到操作台面（显存 ），才能开始加工，食材越多（batch size 越大 ），占的台面空间（显存 ）越大 。
d. 神经元输出中间状态
含义：模型各层计算时，神经元会输出中间结果（比如卷积层处理后得到的特征图 ），这些结果要存在显存，供后续层继续运算 。
比喻：
模型计算像 “工厂流水线加工零件”，每层加工出的 “半成品零件”（中间状态 ）得放在传送带上（显存 ），传给下一层接着加工，传送带得存这些半成品，占空间 。
4. batch size 和训练的关系
含义：batch size 是一次训练喂给模型的数据量。它影响训练速度、显存占用、模型效果稳定性 。比如 batch size 太小，训练慢、结果波动大；太大，占显存多，可能超出显卡容量，还可能让模型学不到细节 。
比喻：
训练模型像 “搬砖盖楼”。batch size 是 “一次搬的砖块数”。搬太少（小 batch size ），来回跑次数多（训练迭代次数多 ），盖楼慢，还可能每次搬砖力度不稳（模型更新波动大 ）；搬太多（大 batch size ），一次搬不动（显存不够 ），甚至砖块堆太满，看不清怎么摆更合理（模型学不透数据细节 ） 。
二、学习笔记（便于复习版 ）
标题：DAY39 图像数据与显存 核心知识点
1. 图像数据格式
- 灰度图像：单通道，像素用一个数值表明暗（0 - 255 ），像黑白照片。
- 彩色图像（RGB ）：三通道，红、绿、蓝数值组合表颜色，可呈现丰富色彩。
2. 模型的定义
- 类比 “图像加工厂流水线 / 智能分拣机设计图”，规定图像从输入到输出（识别分类 ）的处理流程，含层堆叠（卷积、池化等层 ）、参数设置（卷积核数量等 ），构建模型 “知识学习 - 预测” 的逻辑 。
3. 显存占用的 4 大模块
| 显存占用项 | 通俗理解（趣味类比 ） | 关键作用 |
|---|---|---|
| 模型参数 + 梯度参数 | 学生的 “知识点储备” + “错题纠正方向” | 模型学习、更新知识的基础数据 |
| 优化器参数 | 教练的 “教学记录笔记本” | 指导模型参数调整的 “节奏” |
| 数据批量所占显存 | 食堂做菜 “一次准备的食材量” 占的台面空间 | 给模型提供 “学习素材” |
| 神经元输出中间状态 | 工厂流水线 “半成品零件” 占的传送带空间 | 供后续层接力计算 |
4. batch size 与训练的关联
- 类比 “搬砖盖楼”：
- 小 batch size ：搬砖少，训练慢、结果波动大（更新频繁但幅度不稳 ）。
- 大 batch size ：搬砖多，占显存多，可能超容量，还可能让模型学不透细节（数据量大难聚焦 ）。
- 需平衡：找适配显存、训练效率和效果的 “最佳搬砖量” 。
复习口诀：
图像格式分灰度、彩色；模型定义是 “流水线”；显存占用四部分，参数、优化、数据、中间态；batch size 像 “搬砖”，大小影响速与效，平衡调试是关键 ！
这样用比喻和结构化笔记，把抽象的显存、模型训练知识变直观，复习时快速回忆关联场景，理解更深刻～
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader , Dataset
from torchvision import datasets, transforms
import matplotlib.pyplot as plt
torch.manual_seed(42)
transform = transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])
train_dataset = datasets.MNIST(
root='./data',
train=True,
download=True,
transform=transform
)
test_dataset = datasets.MNIST(
root='./data',
train=False,
transform=transform
)
sample_idx = torch.randint(0, len(train_dataset), size=(1,)).item()
image, label = train_dataset[sample_idx]
def imshow(img):
img = img* 0.3081 + 0.1307
npimg= img.numpy()
plt.imshow(npimg[0], cmap='gray')
plt.show()
print(f'Label:{label}')
imshow(image)
import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
torch.manual_seed(42)
transform = transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
])
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(
root='./data',
train=True,
download=True,
transform=transform
)
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(
trainset,
batch_size=4,
shuffle=True
)
classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat', 'deer',
'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')
sample_idx = torch.randint(0, len(trainset), size=(1,)).item()
image, label = trainset[sample_idx]
print(f"图像形状: {image.shape}")
print(f"图像类别: {classes[label]}")
def imshow(img):
img = img / 2 + 0.5
npimg = img.numpy()
plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
plt.axis('off')
plt.show()
imshow(image)
transform = transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])
import matplotlib.pyplot as plt
train_dataset = datasets.MNIST(
root='./data',
train=True,
download=True,
transform=transform
)
test_dataset = datasets.MNIST(
root='./data',
train=False,
transform=transform
)
class MLP(nn.Module):
def __init__(self):
super(MLP, self).__init__()
self.flatten = nn.Flatten()
self.layer1 = nn.Linear(784, 128)
self.relu = nn.ReLU()
self.layer2 = nn.Linear(128, 10)
def forward(self, x):
x = self.flatten(x)
x = self.layer1(x)
x = self.relu(x)
x = self.layer2(x)
return x
model = MLP()
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = model.to(device)
from torchsummary import summary
print("\n模型结构信息：")
summary(model, input_size=(1, 28, 28))
class MLP(nn.Module):
def __init__(self, input_size=3072, hidden_size=128, num_classes=10):
super(MLP, self).__init__()
self.flatten = nn.Flatten()
self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
self.relu = nn.ReLU()
self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, num_classes)
def forward(self, x):
x = self.flatten(x)
x = self.fc1(x)
x = self.relu(x)
x = self.fc2(x)
return x
model = MLP()
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = model.to(device)
from torchsummary import summary
print("\n模型结构信息：")
summary(model, input_size=(3, 32, 32))
class MLP(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.flatten = nn.Flatten()
self.layer1 = nn.Linear(784, 128)
self.relu = nn.ReLU()
self.layer2 = nn.Linear(128, 10)
def forward(self, x):
x = self.flatten(x)
x = self.layer1(x)
x = self.relu(x)
x = self.layer2(x)
return x
from torch.utils.data import DataLoader
train_loader = DataLoader(
dataset=train_dataset,
batch_size=64,
shuffle=True
)
test_loader = DataLoader(
dataset=test_dataset,
batch_size=1000,
shuffle=False
)