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PyTorch框架学习01

news 来源：原创 2025/5/23 11:21:02

PyTorch，简称Torch，主流的经典的深度学习框架，如果你只想掌握一个深度学习框架，那就毫不犹豫的选择他吧！

Tensor概述

1. 概念

张量是一个多维数组，通俗来说可以看作是扩展了标量、向量、矩阵的更高维度的数组。张量的维度决定了它的形状（Shape），例如：

标量是 0 维张量，如 a = torch.tensor(5)
向量是 1 维张量，如 b = torch.tensor([1, 2, 3])
矩阵是 2 维张量，如 c = torch.tensor([[1, 2], [3, 4]])
更高维度的张量，如3维、4维等，通常用于表示图像、视频数据等复杂结构。

2. 特点

动态计算图：PyTorch 支持动态计算图，这意味着在每一次前向传播时，计算图是即时创建的。
GPU 支持：PyTorch 张量可以通过 .to('cuda') 移动到 GPU 上进行加速计算。
自动微分：通过 autograd 模块，PyTorch 可以自动计算张量运算的梯度，这对深度学习中的反向传播算法非常重要。

3. 数据类型

PyTorch中有3种数据类型：浮点数、整数、布尔。其中，浮点数和整数又分为8位、16位、32位、64位，加起来共9种。

为什么要分为8位、16位、32位、64位呢？

场景不同，对数据的精度和速度要求不同。通常，移动或嵌入式设备追求速度，对精度要求相对低一些。精度越高，往往效果也越好，自然硬件开销就比较高。

Tensor的创建

torch.tensor 创建

示例

import torch
import numpy as npdef test001():# 1. 用标量创建张量tensor = torch.tensor(5)print(tensor.shape)# 2. 使用numpy随机一个数组创建张量tensor = torch.tensor(np.random.randn(3, 5))print(tensor)print(tensor.shape)# 3. 根据list创建tensortensor = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])print(tensor)print(tensor.shape)print(tensor.dtype)if __name__ == '__main__':test001()

torch.Tensor

注意这里的Tensor是大写，该API根据形状创建张量，其也可用来创建指定数据的张量。

import torch
import numpy as npdef test002():# 1. 根据形状创建张量tensor1 = torch.Tensor(2, 3)print(tensor1)# 2. 也可以是具体的值tensor2 = torch.Tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])print(tensor2, tensor2.shape, tensor2.dtype)tensor3 = torch.Tensor([10])print(tensor3, tensor3.shape, tensor3.dtype)# 指定tensor数据类型tensor1 = torch.Tensor([1,2,3]).short()print(tensor1)tensor1 = torch.Tensor([1,2,3]).int()print(tensor1)tensor1 = torch.Tensor([1,2,3]).float()print(tensor1)tensor1 = torch.Tensor([1,2,3]).double()print(tensor1)if __name__ == "__main__":test002()

torch.Tensor与torch.tensor区别

创建线性和随机张量

在 PyTorch 中，可以轻松创建线性张量和随机张量。

使用torch.arange 和 torch.linspace 创建线性张量：

示例

import torch
import numpy as np# 不用科学计数法打印
torch.set_printoptions(sci_mode=False)def test004():# 1. 创建线性张量r1 = torch.arange(0, 10, 2)print(r1)# 2. 在指定空间按照元素个数生成张量：等差r2 = torch.linspace(3, 10, 10)print(r2)r2 = torch.linspace(3, 10000000, 10)print(r2)if __name__ == "__main__":test004()

随机数种子

随机数种子（Random Seed）是一个用于初始化随机数生成器的数值。随机数生成器是一种算法，用于生成一个看似随机的数列，但如果使用相同的种子进行初始化，生成器将产生相同的数列。

torch.manual_seed(123)

随机张量

在 PyTorch 中，种子影响所有与随机性相关的操作，包括张量的随机初始化、数据的随机打乱、模型的参数初始化等。通过设置随机数种子，可以做到模型训练和实验结果在不同的运行中进行复现。

创建单位矩张量

创建主对角线上为1的单位张量

data = torch.eye(4)# 4：代表是4阶的单位矩阵

Tensor常见属性

张量有device、dtype、shape等常见属性，知道这些属性对我们认识Tensor很有帮助。

Tensor数据转换

1. Tensor与Numpy

Tensor和Numpy都是常见数据格式，惹不起~

1.1 张量转Numpy

此时分内存共享和内存不共享~

1.1.1 浅拷贝

调用numpy()方法可以把Tensor转换为Numpy，此时内存是共享的。

# 1. 张量转numpydata_tensor = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])data_numpy = data_tensor.numpy()print(type(data_tensor), type(data_numpy))# 2. 他们内存是共享的data_numpy[0, 0] = 100print(data_tensor, data_numpy)

1.1.2 深拷贝

使用copy()方法可以避免内存共享：

data_numpy = data_tensor.numpy().copy()print(type(data_tensor), type(data_numpy))

此时他们内存是不共享的

2. Tensor与图像

2.1 图片转Tensor

示例

import torch
from PIL import Image
from torchvision import transforms
import osdef test001():dir_path = os.path.dirname(__file__)file_path = os.path.join(dir_path,'img', '1.jpg')file_path = os.path.relpath(file_path)print(file_path)# 1. 读取图片img = Image.open(file_path)# transforms.ToTensor()用于将 PIL 图像或 NumPy 数组转换为 PyTorch 张量，并自动进行数值归一化和维度调整# 将像素值从 [0, 255] 缩放到 [0.0, 1.0]（浮点数）# 自动将图像格式从 (H, W, C)（高度、宽度、通道）转换为 PyTorch 标准的 (C, H, W)transform = transforms.ToTensor()img_tensor = transform(img)print(img_tensor)

# transforms：对图片处理，比如图片增强，缩放，裁剪等

2.2 Tensor转图片

示例

import torch
from PIL import Image
from torchvision import transformsdef test002():# 1. 随机一个数据表示图片img_tensor = torch.randn(3, 224, 224)# 2. 创建一个transformstransform = transforms.ToPILImage()# 3. 转换为图片img = transform(img_tensor)img.show()# 4. 保存图片img.save("./test.jpg")

Tensor常见操作

阿达玛积

阿达玛积是指两个形状相同的矩阵或张量对应位置的元素相乘。它与矩阵乘法不同，矩阵乘法是线性代数中的标准乘法，而阿达玛积是逐元素操作。假设有两个形状相同的矩阵 A和 B，它们的阿达玛积 C=A∘B定义为：

同型矩阵，相同位置元素相乘

def test001():data1 = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])data2 = torch.tensor([[2, 3, 4], [2, 2, 3]])print(data1 * data2)def test002():data1 = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])data2 = torch.tensor([[2, 3, 4], [2, 2, 3]])print(data1.mul(data2))