接上一节内容:Pytorch搭建常见分类网络模型------VGG、Googlenet、 MobileNetV3、ResNet50(1)_一只小小的土拨鼠的博客-CSDN博客
前言:AlexNet、VGG等经典的神经网络框架,一个共同特点是:整个网络由不同神经模块的串联构建。神经网络深度不断加深会造成过拟合和模型参数巨大等问题。解决主要方法是引入稀疏特性、将全连接层换成稀疏连接。Googlenet串并联网络结构便是由此提出。
在串联网络中,每一层级的卷积核都是固定尺寸的,只能提取固定尺度的特征。基于这种尺度单一的特征图构建的模型鲁棒性不强,泛化能力差。串联网络参数量巨大,难以将梯度传递到网络顶层。所以2015年串并联网络架构的 GoogLeNet 成为了当时的最佳模型。
GoogLeNet是2014年Christian Szegedy提出的一种全新的深度学习结构,在这之前的AlexNet、VGG等结构都是通过增大网络的深度(层数)来获得更好的训练效果,但层数的增加会带来很多负作用,比如梯度消失、梯度爆炸等。inception的提出则从另一种角度来提升训练结果:能更高效的利用计算资源,在相同的计算量下能提取到更多的特征,从而提升训练结果。
Googlenet提出了多尺度融合的网络结构,这种结构非常有意义。在目标检测领域应用非常广泛,目标检测的特征金字塔特征融合的方法和网络结构正是借鉴了googlenet的思想。
下图是googlenet网络inception模块的基本结构,可以看到它将一个输入分成多个分支进行不同的处理,然后再将不同的处理结果进行拼接,组成最后的多尺度融合输出结构。加入1*1的卷积结构用于降低模型的参数数量。
(上)192x256x3x3x32x32 (下)192x96x1x1x32x32+96x256x3x3x32x32
GoogLeNet最基本的网络块是Inception,它是一个并联网络块,经过不断的迭代优化,发展出了Inception-v1、Inception-v2、Inception-v3、Inception-v4、Inception-ResNet共5个版本。具体的模型结构可参考:深度学习-GoogLeNet - 知乎
网络结构图:
class GoogLeNet(nn.Module):
def __init__(self, num_classes=10, aux_logits=True,
init_weights=False): # 这是主分类器 aux_logits是true则启动使用辅助分类器,否则不启动
super(GoogLeNet, self).__init__()
self.aux_logits = aux_logits
self.conv1 = BasicConv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3)
self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.conv2 = BasicConv2d(64, 64, kernel_size=1)
self.conv3 = BasicConv2d(64, 192, kernel_size=3, padding=1)
self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.inception3a = Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32)
self.inception3b = Inception(256, 128, 128, 192, 32, 96, 64)
self.maxpool3 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.inception4a = Inception(480, 192, 96, 208, 16, 48, 64)
self.inception4b = Inception(512, 160, 112, 224, 24, 64, 64)
self.inception4c = Inception(512, 128, 128, 256, 24, 64, 64)
self.inception4d = Inception(512, 112, 144, 288, 32, 64, 64)
self.inception4e = Inception(528, 256, 160, 320, 32, 128, 128)
self.maxpool4 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.inception5a = Inception(832, 256, 160, 320, 32, 128, 128)
self.inception5b = Inception(832, 384, 192, 384, 48, 128, 128)
if self.aux_logits: # 是否启用辅助分类器
self.aux1 = InceptionAux(512, num_classes)
self.aux2 = InceptionAux(528, num_classes)
self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
self.dropout = nn.Dropout(0.4)
self.fc = nn.Linear(1024, num_classes)
if init_weights: # 是否使用初始化权重
self._initialize_weights()
def forward(self, x):
# N x 3 x 224 x 224
x = self.conv1(x)
# N x 64 x 112 x 112
x = self.maxpool1(x)
# N x 64 x 56 x 56
x = self.conv2(x)
# N x 64 x 56 x 56
x = self.conv3(x)
# N x 192 x 56 x 56
x = self.maxpool2(x)
# N x 192 x 28 x 28
x = self.inception3a(x)
# N x 256 x 28 x 28
x = self.inception3b(x)
# N x 480 x 28 x 28
x = self.maxpool3(x)
# N x 480 x 14 x 14
x = self.inception4a(x)
# N x 512 x 14 x 14
if self.training and self.aux_logits: # eval model lose this layer 如果为训练模型则使用辅助分类器,验证模型则关闭辅助分类器
aux1 = self.aux1(x)
x = self.inception4b(x)
# N x 512 x 14 x 14
x = self.inception4c(x)
# N x 512 x 14 x 14
x = self.inception4d(x)
# N x 528 x 14 x 14
if self.training and self.aux_logits: # eval model lose this layer# eval model lose this layer 如果为训练模型则使用辅助分类器,验证模型则关闭辅助分类器
aux2 = self.aux2(x)
x = self.inception4e(x)
# N x 832 x 14 x 14
x = self.maxpool4(x)
# N x 832 x 7 x 7
x = self.inception5a(x)
# N x 832 x 7 x 7
x = self.inception5b(x)
# N x 1024 x 7 x 7
x = self.avgpool(x)
# N x 1024 x 1 x 1
x = torch.flatten(x, 1)
# N x 1024
x = self.dropout(x)
x = self.fc(x)
# N x 1000 (num_classes)
if self.training and self.aux_logits: # eval model lose this layer# eval model lose this layer 如果为训练模型则使用辅助分类器,验证模型则关闭辅助分类器
return x, aux2, aux1
return x
def _initialize_weights(self): # 初始化权重的提房,有兴趣可以查查函数看看
for m in self.modules():
if isinstance(m, nn.Conv2d):
nn.init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out', nonlinearity='relu')
if m.bias is not None:
nn.init.constant_(m.bias, 0)
elif isinstance(m, nn.Linear):
nn.init.normal_(m.weight, 0, 0.01)
nn.init.constant_(m.bias, 0)
class Inception(nn.Module): # 搭建多分支架构的一部分
def __init__(self, in_channels, ch1x1, ch3x3red, ch3x3, ch5x5red, ch5x5,
pool_proj): # self.inception3a = Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32)
super(Inception, self).__init__()
self.branch1 = BasicConv2d(in_channels, ch1x1, kernel_size=1)
self.branch2 = nn.Sequential(
BasicConv2d(in_channels, ch3x3red, kernel_size=1),
BasicConv2d(ch3x3red, ch3x3, kernel_size=3, padding=1) # 保证输出大小等于输入大小
)
self.branch3 = nn.Sequential(
BasicConv2d(in_channels, ch5x5red, kernel_size=1),
BasicConv2d(ch5x5red, ch5x5, kernel_size=5, padding=2) # 保证输出大小等于输入大小
)
self.branch4 = nn.Sequential(
nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1),
BasicConv2d(in_channels, pool_proj, kernel_size=1)
)
def forward(self, x):
branch1 = self.branch1(x)
branch2 = self.branch2(x)
branch3 = self.branch3(x)
branch4 = self.branch4(x)
outputs = [branch1, branch2, branch3, branch4]
return torch.cat(outputs, 1)
class InceptionAux(nn.Module): # 辅助分类器结构
def __init__(self, in_channels, num_classes):
super(InceptionAux, self).__init__()
self.averagePool = nn.AvgPool2d(kernel_size=5, stride=3)
self.conv = BasicConv2d(in_channels, 128, kernel_size=1) # output[batch, 128, 4, 4]
self.fc1 = nn.Linear(2048, 1024)
self.fc2 = nn.Linear(1024, num_classes)
def forward(self, x):
# aux1: N x 512 x 14 x 14, aux2: N x 528 x 14 x 14
x = self.averagePool(x)
# aux1: N x 512 x 4 x 4, aux2: N x 528 x 4 x 4
x = self.conv(x)
# N x 128 x 4 x 4
x = torch.flatten(x, 1)
x = F.dropout(x, 0.5, training=self.training)
# N x 2048
x = F.relu(self.fc1(x), inplace=True)
x = F.dropout(x, 0.5, training=self.training)
# N x 1024
x = self.fc2(x)
# N x num_classes
return x
class BasicConv2d(nn.Module):
def __init__(self, in_channels, out_channels, **kwargs):
super(BasicConv2d, self).__init__()
self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, **kwargs)
self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
def forward(self, x):
x = self.conv(x)
x = self.relu(x)
return x
googlenet = GoogLeNet(num_classes=10, aux_logits=True, init_weights=True) # 启动模型,这里的7就改成自己的数据集的种类即可,几种就改成几
print(googlenet) # 打印出模型结构看看
googlenet.to(device) # 将模型放到GPU上
test1 = torch.ones(64, 3, 224, 224) # 输出一个测试数据看看模型的数据是几种的,是不是我们需要的种类
test1_1, test_2, test_3 = googlenet(test1.to(device)) # 会输出三个分类器的结果,我们查看主分类器的输出最后是不是我们的种类数
print(test1_1.shape)
epoch = 4 # 迭代次数即训练次数
learning = 0.001 # 学习率
optimizer = torch.optim.Adam(googlenet.parameters(), lr=learning) # 使用Adam优化器-写论文的话可以具体查一下这个优化器的原理
loss = nn.CrossEntropyLoss() # 损失计算方式,交叉熵损失函数
train_loss_all = [] # 存放训练集损失的数组
train_accur_all = [] # 存放训练集准确率的数组
test_loss_all = [] # 存放测试集损失的数组
test_accur_all = [] # 存放测试集准确率的数组
for i in range(epoch): # 开始迭代
train_loss = 0 # 训练集的损失初始设为0
train_num = 0.0
train_accuracy = 0.0 # 训练集的准确率初始设为0
googlenet.train() # 将模型设置成 训练模式,这里意味着启动辅助分类器
train_bar = tqdm(traindata) # 用于进度条显示,没啥实际用处
for step, data in enumerate(train_bar): # 开始迭代跑, enumerate这个函数不懂可以查查,将训练集分为 data是序号,data是数据
img, target = data # 将data 分为 img图片,target标签
optimizer.zero_grad() # 清空历史梯度
outputs_1 = googlenet(img.to(device)) # 将图片打入网络进行训练,outputs是输出的结果
outputs, outputs1, outputs2 = outputs_1 # 因为googlenet有两个辅助分类器,所以会有三个分类结果
loss1 = loss(outputs, target.to(device)) # 第一个为主分类器的损失
loss1_1 = loss(outputs1, target.to(device)) # 第二个是辅助分类器1的损失
loss1_2 = loss(outputs2, target.to(device)) # 第三个是辅助分类器2的损失
loss1_fin = loss1 + loss1_1 * 0.3 + loss1_2 * 0.3 # 计算总损失
outputs = torch.argmax(outputs, 1) # 计算准确率的时候 只是用主分类器的结果,辅助分类器只用来反向传播,防止梯度消失重点,牢记
loss1_fin.backward() # 神经网络反向传播
optimizer.step() # 梯度优化 用上面的abam优化
train_loss += abs(loss1_fin.item()) * img.size(0) # 将所有损失的绝对值加起来
accuracy = torch.sum(outputs == target.to(device)) # outputs == target的 即使预测正确的,统计预测正确的个数,从而计算准确率
train_accuracy = train_accuracy + accuracy # 求训练集的准确率
train_num += img.size(0)
print("epoch:{} , train-Loss:{} , train-accuracy:{}".format(i + 1, train_loss / train_num,
train_accuracy / train_num)) # 输出训练情况
train_loss_all.append(train_loss / train_num) # 将训练的损失放到一个列表里 方便后续画图
train_accur_all.append(train_accuracy.double().item() / train_num) # 训练集的准确率
test_loss = 0 # 同上 测试损失
test_accuracy = 0.0 # 测试准确率
test_num = 0
googlenet.eval() # 测试模式启动,关闭辅助分类器
with torch.no_grad(): # 清空历史梯度,进行测试 与训练最大的区别是测试过程中取消了反向传播
test_bar = tqdm(testdata)
for data in test_bar:
img, target = data
outputs_1 = googlenet(img.to(device)) # 这个时候模型只有一个输出结果,因为关闭了辅助分类器
loss2 = loss(outputs_1, target.to(device))
outputs_1 = torch.argmax(outputs_1, 1)
test_loss = test_loss + abs(loss2.item()) * img.size(0)
accuracy = torch.sum(outputs_1 == target.to(device))
test_accuracy = test_accuracy + accuracy
test_num += img.size(0)
print("test-Loss:{} , test-accuracy:{}".format(test_loss / test_num, test_accuracy / test_num))
test_loss_all.append(test_loss / test_num)
test_accur_all.append(test_accuracy.double().item() / test_num)
plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(range(epoch), train_loss_all,
"ro-", label="Train loss")
plt.plot(range(epoch), test_loss_all,
"bs-", label="test loss")
plt.legend()
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("Loss")
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(range(epoch), train_accur_all,
"ro-", label="Train accur")
plt.plot(range(epoch), test_accur_all,
"bs-", label="test accur")
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("acc")
plt.legend()
plt.show()
torch.save(googlenet.state_dict(), "googlenet.pth") # 保存模型
print("模型已保存")
分析一下inception结构:
self.inception3a = Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32)
class Inception(nn.Module): # 搭建多分支架构的一部分
def __init__(self, in_channels, ch1x1, ch3x3red, ch3x3, ch5x5red, ch5x5,
pool_proj): # self.inception3a = Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32)
super(Inception, self).__init__()
self.branch1 = BasicConv2d(in_channels, ch1x1, kernel_size=1)
self.branch2 = nn.Sequential(
BasicConv2d(in_channels, ch3x3red, kernel_size=1),
BasicConv2d(ch3x3red, ch3x3, kernel_size=3, padding=1))# 保证输出大小等于输入大小
self.branch3 = nn.Sequential(
BasicConv2d(in_channels, ch5x5red, kernel_size=1),
BasicConv2d(ch5x5red, ch5x5, kernel_size=5, padding=2)) # 保证输出大小等于输入大小
self.branch4 = nn.Sequential(
nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1),
BasicConv2d(in_channels, pool_proj, kernel_size=1))
def forward(self, x):
branch1 = self.branch1(x)
branch2 = self.branch2(x)
branch3 = self.branch3(x)
branch4 = self.branch4(x)
outputs = [branch1, branch2, branch3, branch4]
return torch.cat(outputs, 1)#将多个张量(tensor)在第二维度拼接在一起,组成一个融合维度的张量
对于一个 Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32) 的结构来说,它的各部分参数分别是
(in_channels, ch1x1, ch3x3red, ch3x3, ch5x5red, ch5x5,pool_proj)其中参数依次代表:
输入特征维度、1*1卷积的输出特征维度,3*3卷积之前的1*1卷积的输出特征维度、3*3卷积的输出特征维度、5*5卷积之前的1*1卷积的输出特征维度、5*5卷积的输出特征维度。对于一个(32、192、28、28)的张量数据来说,他将经历以下变换:
分析一下InceptionAux结构:
if self.aux_logits: # 是否启用辅助分类器
self.aux1 = InceptionAux(512, num_classes)
self.aux2 = InceptionAux(528, num_classes)
class InceptionAux(nn.Module): # 辅助分类器结构
def __init__(self, in_channels, num_classes):
super(InceptionAux, self).__init__()
self.averagePool = nn.AvgPool2d(kernel_size=5, stride=3)#(14-5)/3+1=4
self.conv = BasicConv2d(in_channels, 128, kernel_size=1) # output[batch, 128, 4, 4]
self.fc1 = nn.Linear(2048, 1024) #
self.fc2 = nn.Linear(1024, num_classes)
def forward(self, x):
# aux1: N x 512 x 14 x 14, aux2: N x 528 x 14 x 14
x = self.averagePool(x)
# aux1: N x 512 x 4 x 4, aux2: N x 528 x 4 x 4
x = self.conv(x)
# N x 128 x 4 x 4
x = torch.flatten(x, 1)#2048
x = F.dropout(x, 0.5, training=self.training)#只在训练的时候开启
# N x 2048
x = F.relu(self.fc1(x), inplace=True)
x = F.dropout(x, 0.5, training=self.training)
# N x 1024
x = self.fc2(x)
# N x num_classes
return x
对于一个 InceptionAux(512, num_classes) 的结构来说,它的各部分参数分别是
(in_channels, num_classes),对于一个形状为(32、512、14、14)的张量数据来说,他将经历以下变换:
Pytorch中的maxpool的ceil_mode 当为True时,将用向上取整的值代替浮点数作为输出尺寸。 所以ceil模式就是会把不足square_size的边给保留下来,单独另算,而floor模式则是直接把不足square_size的边给舍弃了。类似math库中的ceil和floor的函数向上取整或者向下取整 。
torch.cat()函数的详解:在给定维度上对输入的张量序列seq 进行连接操作。
outputs = torch.cat(inputs, dim=2)
其中inputs : 输入数据必须是序列,序列中数据是任意相同的shape
的同类型张量。
dim : 选择的扩维, 必须在 0
到 outputs
的维度值之间,沿着此维连接张量序列。 使用torch.cat((A,B),dim)时,除拼接维数dim数值可不同外其余维数需相同,才能对齐
x1 = torch.tensor([[11,21,31],
[21,31,41]],dtype=torch.int)
x2 = torch.tensor([[12,22,32],
[22,32,42]],dtype=torch.int)
'inputs为2个形状为[2 , 3]的矩阵 '
inputs = [x1, x2]
print(torch.cat(inputs, dim=0).shape)
print(torch.cat(inputs, dim=0))
print(torch.cat(inputs, dim=1).shape)
print(torch.cat(inputs, dim=1))
输出结果:
torch.Size([4, 3])
tensor([[11, 21, 31],
[21, 31, 41],
[12, 22, 32],
[22, 32, 42]], dtype=torch.int32)
torch.Size([2, 6])
tensor([[11, 21, 31, 12, 22, 32],
[21, 31, 41, 22, 32, 42]], dtype=torch.int32)
torch.argmax(input, dim=None
) 用法的理解,返回的就是最大数的索引 。参数 dim可以指定函数返回不同维的最大值。就是把dim这个维度,变成这个维度的最大值的index。 对一个一维向量 :
import numpy as np
a = np.array([3, 1, 2, 4, 6, 1])
b=np.argmax(a)#取出a中元素最大值所对应的索引,此时最大值位6,其对应的位置索引值为4,(索引值默认从0开始)
print(b)#4
在dim=0表示二维矩阵中的列,dim=1在二维矩阵中的行。
import numpy as np
a = np.array([[1, 5, 5, 2],
[9, 6, 2, 8],
[3, 7, 9, 1]])
b=np.argmax(a, axis=0)#对二维矩阵来讲a[0][1]会有两个索引方向,第一个方向为a[0],默认按列方向搜索最大值
#a的第一列为1,9,3,最大值为9,所在位置为1,a的第一列为5,6,7,最大值为7,所在位置为2,
print(b)#[1 2 2 1]
c=np.argmax(a, axis=1)#现在按照a[0][1]中的a[1]方向,即行方向搜索最大值,
#a的第一行为1,5,5,2,最大值为5(虽然有2个5,但取第一个5所在的位置),索引值为1,
#a的第2行为9,6,2,8,最大值为9,索引值为0,
print(c)#[1 0 2]
网络里面RELU激活函数中的inplace的含义是是否进行覆盖运算。即改变一个tensor的值的时候,不经过复制操作,而是直接在原来的内存上改变它的值 。inplace=True的意思是进行原地操作, 例如x=x+5,对x 就是 一个原地操作,是对于Conv2d这样的上层网络传递下来的tensor 直接进行修改 ,好处就是可以节省运算内存,不用多储存变量y。 有时可以稍微减少内存使用量,但可能并不总是有效的操作(因为原始输入已被破坏)。
import torch
import torch.nn as nn
my_conv1 = nn.Conv2d(in_channels=2, out_channels=2, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
my_relu = nn.ReLU(inplace=True)
my_conv2 = nn.Conv2d(in_channels=2, out_channels=2, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
x = torch.rand(1,2,3,4)
x1 = my_conv1(x)
h = my_relu(x1)
y = my_conv2(x1)
这样做就是有问题的。因为在x1在经过my_relu之后,其值经过改变,现在其值相当于h。所以 y = my_conv2(x1)在这里,其实相当于y=my_conv2(h)。这样得到的结果就不是我们预期的了。
上面介绍的GoogLeNet模型是Inception v1版本,还有Inception v2,v3,v4版本
Inception V2
(1)学习VGGNet的特点,用两个33卷积代替55卷积,可以降低参数量。
(2)提出BN算法。BN算法是一个正则化方法,可以提高大网络的收敛速度。就是每一batch的输入分布标准化处理,使得规范化为N(0,1)的高斯分布,收敛速度大大提高。
【深度学习】GoogLeNet系列解读 —— Inception v2_z小白的博客-CSDN博客_inception v2
Inception V3
在Inception V2的基础上,将一个二维卷积拆分成两个较小卷积,例如将7*7卷积拆成1*7卷积和7*1卷积,这样做的好处是降低参数量。通过这种非对称的卷积拆分比对称的拆分为几个相同的小卷积效果更好,可以处理更多,更丰富的空间特征,这就是Inception V3网络结构。
整体上采用了Inception v2的网络结构,并在优化算法、正则化等方面做了改进,总结如下:
1. 优化算法使用RMSProp替代SGD。
2. 使用Label Smoothing Regularization(LSR)方法。LSR是一种通过在输出y中加噪声,实现对模型进行约束,降低模型过拟合的方法。
3. 将第一个7x7卷积层分解为两个3x3卷积层。
4. 辅助分类器(auxiliary classifier)的全连接层也进行了batch-normalization操作。
【深度学习】GoogLeNet系列解读 —— Inception v3_z小白的博客-CSDN博客
Inception V4
Inception v4中基本的Inception module还是沿袭了Inception v2/v3的结构,只是结构看起来更加简洁统一,并且使用更多的Inception module,实验效果也更好。
【深度学习】GoogLeNet系列解读 —— Inception v4_z小白的博客-CSDN博客_inception v4
Inception-Resnet-v1和Inception-Resnet-v2
【深度学习】GoogLeNet系列解读 —— Inception v4_z小白的博客-CSDN博客_inception v4
残差连接是指浅层特征通过另外一条分支加到高层特征中,达到特征复用的目的,同时也避免深层网路的梯度弥散问题。
1. Inception module都是简化版,没有使用那么多的分支,因为identity部分(直接相连的线)本身包含丰富的特征信息;
2. Inception module每个分支都没有使用pooling;
3. 每个Inception module最后都使用了一个1x1的卷积(linear activation),作用是保证identity部分和Inception部分输出特征维度相同,这样才能保证两部分特征能够相加。