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Dataset和DataLoader

知识点回顾：

1. Dataset类的__getitem__和__len__方法（本质是python的特殊方法）
2. Dataloader类
3. minist手写数据集的了解

作业：了解下cifar数据集，尝试获取其中一张图片

在遇到大规模数据集时，显存常常无法一次性存储所有数据，所以需要使用分批训练的方法。为此，PyTorch提供了DataLoader类，该类可以自动将数据集切分为多个批次batch，并支持多线程加载数据。此外，还存在Dataset类，该类可以定义数据集的读取方式和预处理方式，均继承自torch.utils.data

• DataLoader类：决定数据如何加载（批量大小batch_size和是否打乱数据顺序shuffle=True/False)
• Dataset类：告诉程序去哪里找数据，如何读取单个样本，以及如何预处理（数据路径和预处理transform）

torch.utils.data.Dataset是一个抽象基类，所有数据集都需要继承Dataset并定义两个核心方法：

1. __len__()：返回数据集的样本总数
2. __getitem__(idx)：根据索引idx返回对应样本的数据和标签

__getitem__和__len__ 是类的特殊方法（也叫魔术方法 ），它们不是像普通函数那样直接使用，而是需要在自定义类中进行定义，来赋予类特定的行为，举个例子：

class MyList:def __init__(self):self.data = [10, 20, 30, 40, 50]def __getitem__(self, idx):return self.data[idx]def __len__(self):return len(self.data)    # 创建类的实例
my_list_obj = MyList()
# 此时可以使用索引访问元素，这会自动调用__getitem__方法
print(my_list_obj[2])  # 输出：30
# 使用len()函数获取元素数量，这会自动调用__len__方法
print(len(my_list_obj))  # 输出：5

DataLoader类就更好理解了，使用DataLoader类的正确流程是先通过Dataset类定义数据的读取方式和预处理，再通过DataLoader设定批次大小等参数进行加载，以一个自定义数据集举个例子

from torch.utils.data import Dataset, DataLoaderclass MyDataset(Dataset):def __init__(self, data_path, transform=None):self.data = [...]  # 加载数据列表（如文件路径列表）self.transform = transform  # 预处理操作def __len__(self):return len(self.data)def __getitem__(self, idx):# 读取单个样本（如从文件路径加载图像）sample = self.load_sample(self.data[idx])  if self.transform is not None:sample = self.transform(sample)  # 应用预处理return sample, label  # 返回样本和标签# 先创建Dataset实例
dataset = MyDataset(data_path="./data", transform=my_transform) # 假设前面定义了预处理操作transform# 再创建DataLoader实例
dataloader = DataLoader(dataset,batch_size=32,    # 批次大小shuffle=True,     # 打乱数据顺序num_workers=4     # 使用4个线程加载数据
)

为了引入这些概念，我们现在接触一个新的而且非常经典的数据集：MNIST手写数字数据集。该数据集包含60000张训练图片和10000张测试图片，每张图片大小为28*28像素，共包含10个类别。因为每个数据的维度比较小，所以既可以视为结构化数据，用机器学习、MLP训练，也可以视为图像数据，用卷积神经网络训练

1、用到的库

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader , Dataset # DataLoader 是 PyTorch 中用于加载数据的工具
from torchvision import datasets, transforms # torchvision 是一个用于计算机视觉的库，datasets 和 transforms 是其中的模块
import matplotlib.pyplot as plt# 设置随机种子，确保结果可复现
torch.manual_seed(42)

torchvision

├── datasets       # 视觉数据集（如 MNIST、CIFAR）

├── transforms     # 视觉数据预处理（如裁剪、翻转、归一化）

├── models         # 预训练模型（如 ResNet、YOLO）

├── utils          # 视觉工具函数（如目标检测后处理）

└── io             # 图像/视频 IO 操作

2、定义预处理操作transform

这里用 torchvision 的 transforms 模块，提供了一系列常用的图像预处理操作

# 数据预处理，该写法非常类似于管道pipeline
# 先归一化，再标准化
transform = transforms.Compose([ # compose用于将多个数据预处理操作按顺序组合成一个整体，参数是一个列表，每个操作是一个元素transforms.ToTensor(),  # 转换为张量并归一化到[0,1]transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))  # 标准化，MNIST数据集的均值和标准差，这个值很出名，所以直接使用# 参数格式是元组 (mean_channel1, mean_channel2, ...)，由于MNIST是单通道（灰度图），这里只有一个值
])

3、创建dataset实例

torchvision 的 datasets 模块已经预定义了许多常见的数据集，实例化一个数据类就是创建dataset对象了

# 加载MNIST数据集，如果没有会自动下载，pytorch的思路是，数据在加载阶段就预处理结束
# 训练集
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', # 数据存储路径train=True,download=True, # 如果目录下数据不存在则自动下载transform=transform # 应用预处理
)# 测试集
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data',train=False,transform=transform
)

3、创建dataloader实例

# 创建数据加载器
train_loader = DataLoader(train_dataset,batch_size=64, # 每个批次64张图片,一般是2的幂次方，这与GPU的计算效率有关shuffle=True # 随机打乱数据
)test_loader = DataLoader(test_dataset,batch_size=1000 # 每个批次1000张图片# shuffle=False # 测试时不需要打乱数据
)

过程就是定义预处理transform ➡ 实例化一个数据集类（创建dataset实例）➡ 创建数据加载器（创建dataloader实例）➡ 后续操作

作业：了解下cifar数据集，尝试获取其中一张图片

cifar-10的图片就是32*32的彩色图，那就存在RGB三个通道上不同的灰度图，分别标准化和反标准化

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import torch
from torchvision import datasets, transforms# 设置中文字体
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['WenQuanYi Micro Hei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False    # 正常显示负号# 定义CIFAR-10的均值和标准差
cifar_mean = (0.4914, 0.4822, 0.4465)
cifar_std = (0.2470, 0.2435, 0.2616)# 定义预处理操作
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize(cifar_mean, cifar_std)
])# 加载CIFAR-10数据集
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data',train=True,download=True,transform=transform
)# CIFAR-10的类别标签
classes = ('飞机', '汽车', '鸟', '猫', '鹿', '狗', '青蛙', '马', '船', '卡车')# 随机选择一个样本
index = np.random.randint(0, len(train_dataset))
image, label = train_dataset[index]# 反标准化操作 (针对3通道图像)
image = image.clone()  # 避免修改原始数据
for i in range(3):  # 对RGB三个通道分别反标准化image[i] = image[i] * cifar_std[i] + cifar_mean[i]# 转换为numpy并调整维度 (PyTorch: [C,H,W] → Matplotlib: [H,W,C])
image = np.transpose(image.numpy(), (1, 2, 0))# 显示图像
plt.figure(figsize=(5, 5))
plt.imshow(image)
plt.title(f'随机抽取的样本 - 标签: {classes[label]}')
plt.axis('off')
plt.show()

最后输出图片很模糊，可能因为数据集本身分辨率就不高，plot参数设置了但是中文还是没显示出来，很奇怪搞不懂

@浙大疏锦行