pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化

1、模型创建

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1.1、构建网络层(子模块)

1.2、拼接网络层(子模块)

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1.3、nn.Module

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首先进行了8个有序字典的初始化,用来管理各个参数及网络设置

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  • 一个module可以包含多个子module

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  • 一个module相当于一个运算,必须实现forward()函数
  • 每个module都有8个字典管理它的数学

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1.4模型容器

1.4.1、nn.Sequetial

功能:按顺序组合网络子模块,自带forward(),通过for循环依次执行前向传播运算

# ============================ Sequential
class LeNetSequential(nn.Module):
    def __init__(self, classes):
        super(LeNetSequential, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 6, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            nn.Conv2d(6, 16, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),)

        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(16*5*5, 120),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(120, 84),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(84, classes),)

    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = x.view(x.size()[0], -1)
        x = self.classifier(x)
        return x

创建好的网络结构如下图所示: 

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调试观察创建过程的步骤:

  1. 在网络实例化那行代码step into进入网络定义的类
  2. 进入到定义sequential的部分运行到最后一行代码step into 两次(第一次进入的是最后一个子模块网络的建立,第二次进入sequential的创建)可以看到for循环下取出各个子模块并添加到modules

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1.4.2、nn.ModuleList

功能:像python的list一样包装多个网络层,以迭代的方式调用网络层

  • append():在modulelist后面添加网络层
  • extend():拼接两个modulelist
  • insert():在modulelist中指定位置插入网络层

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# ============================ ModuleList

class ModuleList(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModuleList, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10) for i in range(20)])

    def forward(self, x):
        for i, linear in enumerate(self.linears):
            x = linear(x)
        return x


net = ModuleList()

print(net)

fake_data = torch.ones((10, 10))

output = net(fake_data)

print(output)

1.4.3、nn.ModuleDict

功能:像python的dict一样包装多个网络层(每一个给一个key,可通过key索引网络层)

  • clear():清空moduleDict
  • items():返回可迭代的键值对(key-value pairs)
  • keys():返回字典的key
  • values():返回字典的value
  • pop():返回一对键值,并从字典中删除

 

# ============================ ModuleDict

class ModuleDict(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModuleDict, self).__init__()
        self.choices = nn.ModuleDict({
            'conv': nn.Conv2d(10, 10, 3),
            'pool': nn.MaxPool2d(3)
        })

        self.activations = nn.ModuleDict({
            'relu': nn.ReLU(),
            'prelu': nn.PReLU()
        })

    def forward(self, x, choice, act):
        x = self.choices[choice](x)
        x = self.activations[act](x)
        return x


net = ModuleDict()

fake_img = torch.randn((4, 10, 32, 32))

output = net(fake_img, 'conv', 'relu')
#prelu输出结果有负值,改为relu后输出没有负数,可以检查是不是按照我们的想法运行的
print(output)

创建的时候dict里面的子模块是全部都要创建的,前向传播的时候根据key做出选择。

模型容器总结

  • Sequential:顺序性,各网络层之间严格按照顺序执行,常用语block构建
  • ModuleList:迭代性,常用于大量重复网络构建,通过for循环实现重复构建
  • ModuleDict:索引性,常用于可选择的网络层

1.5、动手搭建AlexNet

模型特点:

  • 采用Relu激活函数:替换饱和激活函数,减轻梯度消失
  • 采用LRN(局部响应归一化):对数据归一化,减轻梯度消失
  • Dropout:提高了全连接层的鲁棒性,增加网络的泛化能力
  • 数据增强:TenCrop,色彩修改

pytorch调用一句代码即可实现:

alexnet = torchvision.models.AlexNet()
self.features = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=5, padding=2),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    nn.Conv2d(192, 384, kernel_size=3, padding=1),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    )

self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((6, 6))

self.classifier = nn.Sequential(
    nn.Dropout(),
    nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.Dropout(),
    nn.Linear(4096, 4096),
    nn.ReLU(inplace=True),
    nn.Linear(4096, num_classes),
        )

def forward(self, x):
    x = self.features(x)
    x = self.avgpool(x)
    x = torch.flatten(x, 1)
    x = self.classifier(x)
    return x

1.6、卷积层

卷积运算:卷积核在输入图像上滑动,相应位置上进行相加。卷积过程类似于用一个模板去图像上寻找与他相似的区域,与卷积核模式越相似,激活值越高,从而实现特征提取。

卷积核:可以认为是某种模式或某种特征

卷积维度:一般情况下,卷积核在几个维度上滑动就是几维卷积

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 RGB三通道图像卷积计算方式细节:

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 卷积尺寸计算方式

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nn.Conv2d 

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import os
import torch.nn as nn
from PIL import Image
from torchvision import transforms
from matplotlib import pyplot as plt
from tools.common_tools import transform_invert, set_seed

set_seed(1)  # 设置随机种子

# ================================= load img ==================================
path_img = os.path.join(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)), "lena.png")
img = Image.open(path_img).convert('RGB')  # 0~255

# convert to tensor
img_transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
img_tensor = img_transform(img)
img_tensor.unsqueeze_(dim=0)    # C*H*W to B*C*H*W

# ================================= create convolution layer ==================================

# ================ 2d
# flag = 1
flag = 0
if flag:
    conv_layer = nn.Conv2d(3, 1, 3)   # input:(i, o, size) weights:(o, i , h, w)
    nn.init.xavier_normal_(conv_layer.weight.data)

    # calculation
    img_conv = conv_layer(img_tensor)

# ================================= visualization ==================================
print("卷积前尺寸:{}\n卷积后尺寸:{}".format(img_tensor.shape, img_conv.shape))
img_conv = transform_invert(img_conv[0, 0:1, ...], img_transform)
img_raw = transform_invert(img_tensor.squeeze(), img_transform)
plt.subplot(122).imshow(img_conv, cmap='gray')
plt.subplot(121).imshow(img_raw)
plt.show()

卷积后结果展示

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1.7、转置卷积(反卷积)

功能:用于对图像进行上采样,物体检测任务经常用到(不可逆过程,转置卷积得到的图像与原图不相等)

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import os
import torch.nn as nn
from PIL import Image
from torchvision import transforms
from matplotlib import pyplot as plt
from tools.common_tools import transform_invert, set_seed

set_seed(1)  # 设置随机种子

# ================================= load img ==================================
path_img = os.path.join(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)), "lena.png")
img = Image.open(path_img).convert('RGB')  # 0~255

# convert to tensor
img_transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
img_tensor = img_transform(img)
img_tensor.unsqueeze_(dim=0)    # C*H*W to B*C*H*W

# ================================= create convolution layer ==================================
# ================ transposed
flag = 1
# flag = 0
if flag:
    conv_layer = nn.ConvTranspose2d(3, 1, 3, stride=2)   # input:(i, o, size)
    nn.init.xavier_normal_(conv_layer.weight.data)

    # calculation
    img_conv = conv_layer(img_tensor)

print("卷积前尺寸:{}\n卷积后尺寸:{}".format(img_tensor.shape, img_conv.shape))
img_conv = transform_invert(img_conv[0, 0:1, ...], img_transform)
img_raw = transform_invert(img_tensor.squeeze(), img_transform)
plt.subplot(122).imshow(img_conv, cmap='gray')
plt.subplot(121).imshow(img_raw)
plt.show()

上采样结果展示

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步长设置为3产生棋盘效应,由于不均匀重叠导致的。

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棋盘效应的解释与解决方法:推荐文章《 Deconvolution  and  Checkerboard  Artifacts》

1.8、池化层

池化运算:对输入信号(图像)进行“收集”(多变少)并“总结”(max,mean),类似水池收集水资源。

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 divisor_override:正常情况池化区域的像素相加除以像素个数,设置这个参数可以改变除数

1.8、反最大值池化(上采样)

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1.9、全连接层

每一个神经元与上一层所有神经元相连,实现对上一层的线性组合。

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1.10、激活函数

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Sigmoid函数

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第31张图片双曲正切函数

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 Relu函数(线性修正单元)

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为了解决死神经元的问题,提出了三种改进方式

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2、权值初始化

适当的权值初始化可以加速模型的训练和模型的收敛,而错误的权值初始化会导致梯度消失/爆炸,从而无法完成网络的训练,因此需要控制网络输出值的尺度范围【】。

2.1梯度消失于梯度爆炸

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从公式的角度可以看出,要避免梯度消失或爆炸就要严格控制网络输出层输出值的尺度范围。

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对于无激活函数的全连接层,假设权重W与输入X相互独立,且均服从于0均值1标准差的正态分布(期望为0),因此公式可以简化如下

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第37张图片

 

从上图中的公式可以看出,每传播一层,输出值数据的方差就会扩大n ,要想控制输出H的尺度范围,只需要控制H的方差为1,则无论经过多少层都可以维持在初始输入X的方差附近,因此权重w需要初始化方差为1/n(n为神经元的个数)

100层的全连接网络,每层256个神经元,权重初始化为0均值1标准差,各层输出的标准差结果如下,从下列的数据也可以看出每经过一层,标准差扩大根号n倍(16)


layer:0, std:15.959932327270508
layer:1, std:256.6237487792969
layer:2, std:4107.24560546875
layer:3, std:65576.8125
layer:4, std:1045011.875
layer:5, std:17110408.0
layer:6, std:275461408.0
layer:7, std:4402537984.0
layer:8, std:71323615232.0
layer:9, std:1148104736768.0
layer:10, std:17911758454784.0
layer:11, std:283574846619648.0
layer:12, std:4480599809064960.0
layer:13, std:7.196814275405414e+16
layer:14, std:1.1507761512626258e+18
layer:15, std:1.853110740188555e+19
layer:16, std:2.9677725826641455e+20
layer:17, std:4.780376223769898e+21
layer:18, std:7.613223480799065e+22
layer:19, std:1.2092652108825478e+24
layer:20, std:1.923257075956356e+25
layer:21, std:3.134467063655912e+26
layer:22, std:5.014437766285408e+27
layer:23, std:8.066615144249704e+28
layer:24, std:1.2392661553516338e+30
layer:25, std:1.9455688099759845e+31
layer:26, std:3.0238180658999113e+32
layer:27, std:4.950357571077011e+33
layer:28, std:8.150925520353362e+34
layer:29, std:1.322983152787379e+36
layer:30, std:2.0786820453988485e+37
layer:31, std:nan
output is nan in 31 layers
tensor([[        inf, -2.6817e+38,         inf,  ...,         inf,
                 inf,         inf],
        [       -inf,        -inf,  1.4387e+38,  ..., -1.3409e+38,
         -1.9659e+38,        -inf],
        [-1.5873e+37,         inf,        -inf,  ...,         inf,
                -inf,  1.1484e+38],
        ...,
        [ 2.7754e+38, -1.6783e+38, -1.5531e+38,  ...,         inf,
         -9.9440e+37, -2.5132e+38],
        [-7.7184e+37,        -inf,         inf,  ..., -2.6505e+38,
                 inf,         inf],
        [        inf,         inf,        -inf,  ...,        -inf,
                 inf,  1.7432e+38]], grad_fn=)

Process finished with exit code 0



 100层的全连接网络,每层256个神经元,权重初始化为0均值,标准差为根号(1/n)时,各层输出的标准差结果如下,可以看出每层输出值的标准差都能维持在1附近

layer:0, std:0.9974957704544067
layer:1, std:1.0024365186691284
layer:2, std:1.002745509147644
layer:3, std:1.0006227493286133
layer:4, std:0.9966009855270386
layer:5, std:1.019859790802002
layer:6, std:1.026173710823059
layer:7, std:1.0250457525253296
layer:8, std:1.0378952026367188
layer:9, std:1.0441951751708984
layer:10, std:1.0181655883789062
layer:11, std:1.0074602365493774
layer:12, std:0.9948930144309998
layer:13, std:0.9987586140632629
layer:14, std:0.9981392025947571
layer:15, std:1.0045733451843262
layer:16, std:1.0055204629898071
layer:17, std:1.0122840404510498
layer:18, std:1.0076017379760742
layer:19, std:1.000280737876892
layer:20, std:0.9943006038665771
layer:21, std:1.012800931930542
layer:22, std:1.012657642364502
layer:23, std:1.018149971961975
layer:24, std:0.9776086211204529
layer:25, std:0.9592394828796387
layer:26, std:0.9317858815193176
layer:27, std:0.9534041881561279
layer:28, std:0.9811319708824158
layer:29, std:0.9953019022941589
layer:30, std:0.9773916006088257
layer:31, std:0.9655940532684326
layer:32, std:0.9270440936088562
layer:33, std:0.9329946637153625
layer:34, std:0.9311841726303101
layer:35, std:0.9354336261749268
layer:36, std:0.9492132067680359
layer:37, std:0.9679954648017883
layer:38, std:0.9849981665611267
layer:39, std:0.9982335567474365
layer:40, std:0.9616852402687073
layer:41, std:0.9439758658409119
layer:42, std:0.9631161093711853
layer:43, std:0.958673894405365
layer:44, std:0.9675614237785339
layer:45, std:0.9837557077407837
layer:46, std:0.9867278337478638
layer:47, std:0.9920817017555237
layer:48, std:0.9650403261184692
layer:49, std:0.9991624355316162
layer:50, std:0.9946174025535583
layer:51, std:0.9662044048309326
layer:52, std:0.9827387928962708
layer:53, std:0.9887880086898804
layer:54, std:0.9932605624198914
layer:55, std:1.0237400531768799
layer:56, std:0.9702046513557434
layer:57, std:1.0045380592346191
layer:58, std:0.9943899512290955
layer:59, std:0.9900636076927185
layer:60, std:0.99446702003479
layer:61, std:0.9768352508544922
layer:62, std:0.9797843098640442
layer:63, std:0.9951220750808716
layer:64, std:0.9980446696281433
layer:65, std:1.0086933374404907
layer:66, std:1.0276142358779907
layer:67, std:1.0429234504699707
layer:68, std:1.0197855234146118
layer:69, std:1.0319130420684814
layer:70, std:1.0540012121200562
layer:71, std:1.026781439781189
layer:72, std:1.0331352949142456
layer:73, std:1.0666675567626953
layer:74, std:1.0413838624954224
layer:75, std:1.0733673572540283
layer:76, std:1.0404183864593506
layer:77, std:1.0344083309173584
layer:78, std:1.0022705793380737
layer:79, std:0.99835205078125
layer:80, std:0.9732587337493896
layer:81, std:0.9777462482452393
layer:82, std:0.9753198623657227
layer:83, std:0.9938382506370544
layer:84, std:0.9472599029541016
layer:85, std:0.9511011242866516
layer:86, std:0.9737769961357117
layer:87, std:1.005651831626892
layer:88, std:1.0043526887893677
layer:89, std:0.9889539480209351
layer:90, std:1.0130352973937988
layer:91, std:1.0030947923660278
layer:92, std:0.9993206262588501
layer:93, std:1.0342745780944824
layer:94, std:1.031973123550415
layer:95, std:1.0413124561309814
layer:96, std:1.0817031860351562
layer:97, std:1.128799557685852
layer:98, std:1.1617802381515503
layer:99, std:1.2215303182601929
tensor([[-1.0696, -1.1373,  0.5047,  ..., -0.4766,  1.5904, -0.1076],
        [ 0.4572,  1.6211,  1.9659,  ..., -0.3558, -1.1235,  0.0979],
        [ 0.3908, -0.9998, -0.8680,  ..., -2.4161,  0.5035,  0.2814],
        ...,
        [ 0.1876,  0.7971, -0.5918,  ...,  0.5395, -0.8932,  0.1211],
        [-0.0102, -1.5027, -2.6860,  ...,  0.6954, -0.1858, -0.8027],
        [-0.5871, -1.3739, -2.9027,  ...,  1.6734,  0.5094, -0.9986]],
       grad_fn=)

Process finished with exit code 0

当神经元个数设置为400时,标准差与手动计算结果一致(每经过一层,标准差扩大20倍)

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第38张图片

 当全连接层采用tanh的激活函数时,标准差越来越小,从而会造成梯度消失

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第39张图片

2.2、加入激活函数的权重初始化

  • Xavier初始化适用于饱和激活函数

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第40张图片

n_i为输入层神经元个数,n_i+1为输出层神经元个数,通常Xavier采用均匀分布进行初始化

import os
import torch
import random
import numpy as np
import torch.nn as nn



def set_seed(seed=1):
    random.seed(seed)
    np.random.seed(seed)
    torch.manual_seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed(seed)

set_seed(1)  # 设置随机种子


class MLP(nn.Module):
    def __init__(self, neural_num, layers):
        super(MLP, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(neural_num, neural_num, bias=False) for i in range(layers)])
        self.neural_num = neural_num

    def forward(self, x):
        for (i, linear) in enumerate(self.linears):
            x = linear(x)
            x = torch.tanh(x)

            print("layer:{}, std:{}".format(i, x.std()))
            if torch.isnan(x.std()):
                print("output is nan in {} layers".format(i))
                break

        return x

    def initialize(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Linear):
                #xavier手动计算
                a = np.sqrt(6 / (self.neural_num + self.neural_num))
                tanh_gain = nn.init.calculate_gain('tanh')         #计算增益
                a *= tanh_gain
                nn.init.uniform_(m.weight.data, -a, a)

                #调用pytorch实现xavier初始化,适用于饱和激活函数
                # tanh_gain = nn.init.calculate_gain('tanh')
                # nn.init.xavier_uniform_(m.weight.data, gain=tanh_gain)


# flag = 0
flag = 1

if flag:
    layer_nums = 100
    neural_nums = 256
    batch_size = 16

    net = MLP(neural_nums, layer_nums)
    net.initialize()

    inputs = torch.randn((batch_size, neural_nums))  # normal: mean=0, std=1

    output = net(inputs)
    print(output)

可以看到输出数据的标准差能维持在一个范围内

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第41张图片

  •  kaiming初始化方法适用于RuLU及其变种的非饱和激活函数

 pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第42张图片

 

import os
import torch
import random
import numpy as np
import torch.nn as nn



def set_seed(seed=1):
    random.seed(seed)
    np.random.seed(seed)
    torch.manual_seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed(seed)

set_seed(1)  # 设置随机种子


class MLP(nn.Module):
    def __init__(self, neural_num, layers):
        super(MLP, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(neural_num, neural_num, bias=False) for i in range(layers)])
        self.neural_num = neural_num

    def forward(self, x):
        for (i, linear) in enumerate(self.linears):
            x = linear(x)
            x = torch.relu(x)

            print("layer:{}, std:{}".format(i, x.std()))
            if torch.isnan(x.std()):
                print("output is nan in {} layers".format(i))
                break

        return x

    def initialize(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Linear):
                #kaiming初始化手动
                nn.init.normal_(m.weight.data, std=np.sqrt(2 / self.neural_num))

                #kaiming初始化
                # nn.init.kaiming_normal_(m.weight.data)


# flag = 0
flag = 1

if flag:
    layer_nums = 100
    neural_nums = 256
    batch_size = 16

    net = MLP(neural_nums, layer_nums)
    net.initialize()

    inputs = torch.randn((batch_size, neural_nums))  # normal: mean=0, std=1

    output = net(inputs)
    print(output)

网络输出结果如下图所示,输出数据标准差能维持在一个稳定的范围内,输出值也比较正常

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第43张图片

 

pytorch学习笔记:模型创建及权重初始化_第44张图片

方差变化尺度=输入数据的方差/输出数据的方差

# ==================== calculate gain ==============================

# flag1 = 0
flag1 = 1

if flag1:

    x = torch.randn(10000)
    out = torch.tanh(x)

    gain = x.std() / out.std()
    print('gain:{}'.format(gain))

    tanh_gain = nn.init.calculate_gain('tanh')
    print('tanh_gain in PyTorch:', tanh_gain)

输出结果为

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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