Практическое глубокое обучение с использованием PyTorch (от нуля до мастерства)

📚 Краткое содержание курса

Этот курс предлагает всестороннее введение в глубокое обучение с использованием PyTorch — наиболее популярной платформы для исследований в области машинного обучения. Начиная с основ тензоров, студенты пройдут полный цикл работы с машинным обучением, компьютерным зрением, модульной инженерии программного обеспечения, передачей обучения и развертыванием моделей. Учебная программа ориентирована на код, уделяя особое внимание практической реализации и экспериментам, что гарантирует, что студенты не только поймут теорию, но и смогут создавать, оптимизировать и развертывать надежные системы глубокого обучения.

Краткое резюме основных целей: овладеть всей экосистемой PyTorch, переходя от базовой математики к готовым к производству приложениям компьютерного зрения.

🎯 Цели обучения

1. Реализовать весь цикл работы с машинным обучением в PyTorch — от базовых операций с тензорами до обучения, оценки и сохранения модели.
2. Разработать и развернуть архитектуры глубокого обучения, включая искусственные нейронные сети (ANN) и свёрточные нейронные сети (CNN), для сложных задач классификации и компьютерного зрения.
3. Перевести экспериментальный код в готовый к производству, модульный программный продукт, применяя стандартные практики инженерии и структуру каталогов.
4. Использовать продвинутые методы, такие как передача обучения и систематический контроль экспериментов (TensorBoard), чтобы достичь передовых результатов на собственных наборах данных.
5. Подготовить обученную модель для интерактивных веб-приложений и использовать современные функции PyTorch 2.0 для ускорения вывода.

---

🔹 Урок 1: Основы PyTorch

Обзор: Этот фундаментальный урок представляет собой знакомство с PyTorch и его основной структурой данных — тензорами. Мы начнём с объяснения того, почему PyTorch является предпочтительной платформой для современных исследований в области глубокого обучения, подчеркивая динамическую вычислительную графу. Основной технический акцент — освоение манипуляций с тензорами. Студенты научатся создавать тензоры — от скаляров 0D до многомерных матриц — различными способами (например, torch.zeros(), torch.rand()). Будут рассмотрены ключевые операции, включая элементарные арифметические действия (сложение, умножение) и специализированные операции линейной алгебры, такие как матричное умножение (torch.matmul). Также будут затронуты техники управления структурой, такие как индексация, срезы, изменение формы (.view(), .reshape()), удаление лишних измерений (.squeeze()). В завершение будет рассмотрен важный концепт использования различных устройств (CPU vs GPU) через .to(), подготовив студентов к ускоренной вычислительной работе в последующих уроках.

Результаты обучения:

• Объяснить роль тензоров как основной структуры данных в глубоком обучении и PyTorch.
• Создавать и инициализировать тензоры в PyTorch различных размерностей (скаляры, векторы, матрицы) с помощью встроенных методов.
• Выполнять стандартные арифметические операции с тензорами и специализированные операции, такие как матричное умножение.
• Манипулировать структурой тензора с помощью индексации, срезов, изменения формы и сжатия.
• Эффективно перемещать тензоры между устройствами CPU и GPU для ускорения вычислений.

---

🔹 Урок 2: Рабочий процесс в PyTorch

Обзор: В этом уроке будет установлен повторяемый рабочий процесс в PyTorch путём создания простой модели линейной регрессии «с нуля». Мы начнём с подготовки данных, сосредоточившись на генерации синтетических данных и разделении их на обучающие и тестовые выборки, подчеркивая важность согласования типа данных и устройства (CPU/GPU). Затем мы определим архитектуру модели, правильно наследуя от torch.nn.Module и реализуя метод forward(). Основа рабочего процесса — выбор соответствующих функций потерь (например, nn.L1Loss для регрессии) и оптимизаторов (Стохастический градиентный спуск или SGD). Далее мы подробно построим цикл обучения (прямой проход, вычисление потерь, обнуление градиентов, обратный проход, шаг оптимизатора) и цикл тестирования/оценки для измерения производительности. Наконец, мы завершим процесс, научившись сохранять состояние обученной модели с помощью torch.save() и загружать её обратно для вывода или повторного использования, тем самым завершив полный цикл машинного обучения "от начала до конца".

Результаты обучения:

• Структурировать и реализовать шесть основных этапов цикла машинного обучения в PyTorch.
• Создать простую линейную модель, правильно определив класс, наследующий torch.nn.Module.
• Применять подходящие функции потерь (nn.L1Loss) и оптимизаторы (torch.optim.SGD) для базовых задач регрессии.
• Определить и выполнить цикл обучения, включая обратное распространение и градиентный спуск, а также отдельный цикл оценки.
• Реализовать функциональность сохранения и загрузки состояния модели с помощью инструментов PyTorch для хранения модели.

---

🔹 Урок 3: Классификация с нейронными сетями

Обзор: В этом уроке будет применён рабочий процесс в PyTorch для решения нелинейных задач классификации, выходящих за рамки простой линейной регрессии. Мы начнём с различения бинарных и многоклассовых сценариев и покажем, как структурировать выходной слой с использованием сигмоидной (для бинарной) и мягкой максимизации (для многоклассовой) активаций. Ключевой концепт нелинейности вводится через интеграцию функций активации ReLU в скрытых слоях, позволяя сети обучаться сложным границам решений. Студенты реализуют правильные функции потерь для классификации: BCEWithLogitsLoss и CrossEntropyLoss. Практическая часть включает генерацию и обучение нейронной сети на сложном синтетическом наборе данных (например, набор "moons") и визуальную диаграмму полученной границы решений, чтобы подтвердить способность сети эффективно разделять нелинейные точки данных, обеспечивая полное понимание основ архитектуры глубоких моделей.

Результаты обучения:

• Отличать и реализовывать модели в PyTorch для бинарной и многоклассовой задач классификации.
• Объяснить необходимость нелинейных функций активации (ReLU, Sigmoid, Softmax) для формирования сложных границ решений.
• Применять соответствующие функции потерь (BCEWithLogitsLoss, CrossEntropyLoss) и вычислять метрики точности классификации.
• Реализовать полный рабочий процесс классификации в PyTorch на нелинейном наборе данных.
• Визуализировать обученную границу решений модели и интерпретировать её способность классифицировать данные.

---

🔹 Урок 4: Компьютерное зрение с помощью CNN

Обзор: Этот урок ознаменует переход от работы со структурированными данными к обработке высокоразмерных изображений, требующих специализированных архитектур глубокого обучения. Мы начнём с раскрытия представления изображений как многомерных тензоров в PyTorch, сосредоточившись на стандартной нотации формы (N, C, H, W: размер пакета, каналы, высота, ширина). Теоретическая основа вводит свёрточные нейронные сети (CNN), объясняя, как свёрточные слои (nn.Conv2d) эффективно извлекают локальные пространственные признаки, а слои пулинга (nn.MaxPool2d) снижают размерность, сохраняя важную информацию. Через подход «код первым» мы затем построим и обучим полную, маломасштабную архитектуру CNN — копию TinyVGG — с нуля, предоставив наглядный пример функциональной модели компьютерного зрения. В завершение сравним фундаментальные различия между этой архитектурой CNN и ранее использованными линейными сетями, чтобы укрепить интуитивное понимание того, почему CNN превосходят в распознавании образов.

Результаты обучения:

• Объяснить и использовать формат тензора (N, C, H, W) для представления изображений в PyTorch.
• Реализовать свёрточные слои (nn.Conv2d) и слои пулинга (nn.MaxPool2d) в модели PyTorch.
• Создать и обучить полную, маломасштабную архитектуру CNN (копию TinyVGG) для задачи классификации.
• Чётко описать фундаментальные различия в извлечении признаков и возможностях обобщения весов между линейными слоями и CNN.

---

🔹 Урок 5: Пользовательские наборы данных

Обзор: Этот важный урок заполняет пробел между структурированными игрушечными примерами (например, MNIST) и сложными, неструктурированными реальными изображениями, создавая основу для практического проекта "FoodVision" в области компьютерного зрения. Мы начнём с изучения правильной структуры каталогов данных для PyTorch, используя высокоэффективный класс torchvision.datasets.ImageFolder для автоматической загрузки и определения меток из путей файлов. Критически важно освоить концепцию пользовательского класса torch.utils.data.Dataset, который даёт полный контроль над логикой загрузки данных, предобработкой и управлением метками для произвольных форматов. Затем мы введём DataLoader для управления эффективной загрузкой данных, батчингом, перемешиванием и многопоточной загрузкой. В завершение сессии будут рассмотрены важные техники увеличения данных и преобразования в PyTorch, которые жизненно важны для расширения эффективного размера ограниченных наборов данных и повышения обобщающей способности и устойчивости модели.

Результаты обучения:

• Организовать реальные изображения в структуру каталогов, ожидаемую инструментами PyTorch.
• Использовать torchvision.datasets.ImageFolder для эффективной загрузки пользовательских наборов изображений с диска.
• Реализовать пользовательский класс torch.utils.data.Dataset для обработки уникальных или сложных требований к загрузке данных.
• Применить ряд преобразований torchvision.transforms для предобработки (изменение размера, преобразование в тензор) и увеличения данных (вращение, отражение).
• Интегрировать Dataset с DataLoader для управления батчингом, перемешиванием и оптимизированной параллельной загрузкой данных.

---

🔹 Урок 6: Модульность (Инженерия программного обеспечения)

Обзор: Этот урок имеет решающее значение для перехода от экспериментального кода в Jupyter Notebook к устойчивым, готовым к производству практикам инженерии программного обеспечения в экосистеме PyTorch. Мы рассмотрим обязательные шаги по рефакторингу монолитного кода ноутбука в структурированные, переиспользуемые скрипты на Python. Основная концепция — создание стандартизированной структуры проекта в PyTorch, разделяющей ответственность между отдельными модулями. Ключевые модули, которые нужно создать, включают data_setup.py (обслуживание загрузки данных, преобразований и DataLoaders), model_builder.py (содержание определений моделей, наследующих от nn.Module) и engine.py (управление циклами обучения и тестирования). Наконец, студенты узнают, как инициализировать и запустить полный процесс обучения — включая определение гиперпараметров и выбор устройства — напрямую из командной строки с помощью стандартного выполнения Python, что необходимо для развертывания и масштабных экспериментов.

Результаты обучения:

• Объяснить различия между экспериментальным кодом в ноутбуке и организованной модульной архитектурой скриптов на Python.
• Реализовать стандартную структуру каталогов проекта в PyTorch, предназначенную для масштабируемости и совместной работы.
• Рефакторить существующую логику обучения моделей в отдельные, переиспользуемые модули (например, data_setup.py, model_builder.py, engine.py).
• Настроить главный скрипт выполнения для запуска полного процесса обучения через командную строку.
• Описать практические преимущества модульного кода в отношении тестирования, контроля версий и готовности к развертыванию в производстве.

---

🔹 Урок 7: Передача обучения

Обзор: Передача обучения — мощная техника, позволяющая использовать знания, полученные при обучении моделей на крупных наборах данных, таких как ImageNet, и эффективно применять их к меньшим, специализированным задачам. В этом уроке будет представлены основные теоретические принципы, подчеркивающие, почему предобученные веса (особенно из моделей, таких как ResNet или EfficientNet, через torchvision.models) являются ключевыми для достижения передовых результатов при минимальных затратах данных и вычислительных ресурсов. Практическая реализация фокусируется на извлечении признаков: студенты научатся загружать модель, фиксировать параметры базовых свёрточных слоёв с помощью requires_grad=False, а затем стратегически заменять и обучать только оконечный классификатор, адаптированный к новой целевой области, например, в рамках текущего проекта «FoodVision». Мы также сравним этот метод с более ресурсоёмким подходом тонкой настройки всей сети.

Результаты обучения:

• Объяснить теоретическое преимущество и типичные ситуации, когда требуется передача обучения.
• Загружать и анализировать распространённые архитектуры предобученных моделей с помощью torchvision.models.
• Реализовать извлечение признаков, успешно заблокировав параметры базовых свёрточных слоёв.
• Изменить классификатор предобученной модели для обработки новых, пользовательских задач классификации.
• Различать стратегии извлечения признаков (блокировка) и тонкой настройки (разблокировка).

---

🔹 Урок 8: Контроль экспериментов (Майленстон 1)

Обзор: По мере перехода от обучения одной модели к проведению сложных сравнений (например, сравнение обычной CNN с моделью, использующей передачу обучения), ручное логирование становится недостаточным. В этом уроке будет установлен важный принцип систематического контроля экспериментов. Мы представим и внедрим встроенное решение PyTorch — torch.utils.tensorboard.SummaryWriter, для логирования и управления данными производительности. Студенты узнают, как внедрить свои циклы обучения для записи важных скалярных метрик, таких как потеря и точность на каждом эпохе обучения и тестирования, а также скорость обучения. Основная цель — овладеть запуском и использованием интерфейса TensorBoard для визуального сравнения результатов нескольких запусков, что позволяет объективно анализировать влияние изменений гиперпараметров, архитектурных решений и стратегий оптимизации, обеспечивая воспроизводимость и ускоряя улучшение моделей.

Результаты обучения:

• Объяснить необходимость систематического контроля экспериментов для обеспечения воспроизводимости и эффективности глубокого обучения.
• Реализовать класс torch.utils.tensorboard.SummaryWriter для логирования скалярных метрик (потеря, точность) в цикле обучения в PyTorch.
• Запустить и перейти в интерфейс TensorBoard для визуализации кривых метрик и сравнения производительности различных экспериментальных запусков.
• Применять техники контроля для систематического сравнения влияния различных настроек гиперпараметров (например, размера пакета, скорости обучения) и архитектур моделей.

---

🔹 Урок 9: Воспроизведение научных статей (Майленстон 2)

Обзор: Этот урок является пиком курса, бросая вызов студентам перевести теоретические исследования в функциональный код путём воспроизведения современной архитектуры из научной статьи. Мы начнём с раскрытия структуры типичной научной статьи по машинному обучению, особенно фокусируясь на том, как извлечь детали архитектуры и математические формулировки из раздела «Методология». Основная техническая задача — преобразовать сложные математические уравнения — такие как механизмы внимания или новые типы слоёв — непосредственно в модули PyTorch с использованием пользовательских классов nn.Module. В качестве современного примера будет рассмотрена архитектура Визуальной Трансформерной сети (ViT). Акцент будет сделан на систематических стратегиях отладки, необходимых для сложных, многокомпонентных моделей, решая проблемы, такие как совместимость форм, инициализация весов и проверка потока градиентов, чтобы гарантировать, что студенты могут успешно реализовать передовые модели с нуля.

Результаты обучения:

• Анализировать и декомпозировать описания архитектур и математические обозначения, представленные в научных статьях по машинному обучению.
• Прямым образом переводить сложные алгоритмические шаги и формулы (например, механизмы самовнимания) в идиоматический код на PyTorch с использованием пользовательских классов nn.Module.
• Реализовать и интегрировать все необходимые компоненты современной сложной архитектуры глубокого обучения (например, визуальная трансформерная сеть) полностью с нуля.
• Применять продвинутые стратегии отладки для устранения ошибок формы, несоответствий устройств и логических ошибок, возникающих при воспроизведении передовых моделей.

---

🔹 Урок 10: Развертывание моделей и PyTorch 2.0

Обзор: Последний урок посвящён переходу обученной модели из среды исследований в публично доступное, интерактивное веб-приложение. Мы начнём с изучения ключевых шагов подготовки модели к развертыванию, сосредоточившись на эффективной загрузке и выводе для производства. Основная практическая задача — создать функциональную демонстрацию веб-интерфейса с помощью быстрых прототипных инструментов, таких как Gradio или Streamlit, позволяя пользователям вводить данные и получать мгновенные прогнозы. Мы рассмотрим практические стратегии размещения этих приложений, используя платформы, такие как Hugging Face Spaces. В завершение посвятим время будущему платформы, конкретно изучив улучшения производительности и функции компиляции, представленные в PyTorch 2.0, демонстрируя, как инновации, такие как torch.compile, обеспечивают значительное ускорение как при обучении, так и при развертывании.

Результаты обучения:

• Подготовить артефакт обученной модели в PyTorch для эффективной загрузки и вывода в производственной среде.
• Разработать функциональный интерактивный веб-интерфейс для демонстрации с использованием либо Gradio, либо Streamlit.
• Разместить созданное машинно-обученное приложение на публичной платформе (например, Hugging Face Spaces).
• Объяснить основную концепцию и механизм функции torch.compile в PyTorch 2.0.
• Интегрировать знания о развертывании с предыдущими практиками модульного кода для создания итогового, полностью завершённого проекта.