DenseNet原理及代码

大家好，我是灿视。

介绍下DenseNet

1. 介绍

在以往的网络都是从要么深（比如ResNet，解决了网络深时候的梯度消失问题）要么宽（比如GoogleNet的Inception）的网络，而作者则是从feature入手，通过对feature的极致利用达到更好的效果和更少的参数。

DenseNet网络有以下优点：

• 由于密集连接方式，DenseNet提升了梯度的反向传播，使得网络更容易训练。
• 参数更小且计算更高效，这有点违反直觉，由于DenseNet是通过concat特征来实现短路连接，实现了特征重用，并且采用较小的growth rate，每个层所独有的特征图是比较小的；
• 由于特征复用，最后的分类器使用了低级特征。

为了解决随着网络深度的增加，网络梯度消失的问题，在ResNet网络
之后，科研界把研究重心放在通过更有效的跳跃连接的方法上。DenseNet系列网络延续这个思路，并做到了一个极致，就是直接将所有层都连接起来。DenseNet层连接方法示意图如图所示。

VGG系列网络，如果有$L$层，则就会有$L$个连接，而在DenseNet网络中，有$L$层，则会有$\frac{L(L+1)}{2}$ 个连接，即每一层的输入来自该层前面所有层的输出叠加。

DenseNet系列网络中的Dense Block 中每个卷积层输出的feature map的数量都很小，而不是像其他网络那样几百上千的数量，Dense Block 输出的feature map 数量一般在$100$以下。

DenseNet 中每个层都直接和损失函数的梯度和原始输入信息相连接，这样可以更好地提升网络的性能。论文中还提到Dense
Connection具有正则化的效果，所以对过拟合有一定的抑制作用，理由是DenseNet的参数量相比之前的网络大大减少，所以会类似正则化的作用，减轻过拟合现象。

论文中给出的带有三个Dense Block 的DenseNet 结构图如下图所示，其中pooling层减少了特征的尺寸。同时，每个Block都需要维度上面对齐。

其中$x_l$是需要将$x_0,x_1,\dots x_{l-1}$的特征中进行通道concatenation，就是在通道那一个维度进行合并处理。

$x_l=H_l([x_0,x_1,...,x_{l-1}])$

DenseNet 具有比传统卷积网络更少的参数，因为它不需要重新学习多余的feature map。传统的前馈神经网络可以视作在层与层之间传递状态的
算法，每一层接收前一层的状态，然后将新的状态传递给下一层。这会改变状态，但是也传递了需要保留的信息。ResNet通过恒等映射来直接传递
需要保留的信息，因此层之间只需要传递状态的变化。DenseNet 会将所有层的状态全部保存到集体知识中，同时每一层增加很少数量的feature map
到网络的集中知识中。

2. 网络结构中的细节部分

从上图我们可以知道，DenseNet主要是由DenseBlock，BottleNeck与Transition层组成。

其中DenseBlock长下面这样：

在DenseBlock中，各个层的特征图大小一致，可以在channel维度上连接。DenseBlock中的非线性组合函数$H(\cdot )$采用的是BN+ReLU+3x3 Conv的结构，所有DenseBlock中各个层卷积之后均输出 $k$ 个特征图，即得到的特征图的channel数为$k$，或者说采用 $k$ 个卷积核。 其中，$k$ 在DenseNet称为growth rate，这是一个超参数。一般情况下使用较小的$k$（比如12），就可以得到较佳的性能。假定输入层的特征图的channel数为 $k_0$ ，那么 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AJuU69FE-1620615009447)(https://www.zhihu.com/equation?tex=l)]$。

因为随着DenseNet不断加深，后面的输入层就是变得很大，在DenseNet中，我们使用了BottleNeck来减少计算量，其中主要就是加入了1 x 1卷积。如即BN+ReLU+1x1 Conv+BN+ReLU+3x3 Conv，称为DenseNet-B结构。其中1x1 Conv得到 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OFHGxZAl-1620615009449)(https://www.zhihu.com/equation?tex=4k)] 个特征图它起到的作用是降低特征数量，从而提升计算效率。

对于Transition层，它主要是连接两个相邻的DenseBlock，并且降低特征图大小。Transition层包括一个1x1的卷积和2x2的AvgPooling，结构为BN+ReLU+1x1 Conv+2x2 AvgPooling。另外，Transition层可以起到压缩模型的作用。假定Transition的上接DenseBlock得到的特征图channels数为$m$，Transition层可以产生 $\lfloor \theta m\rfloor$个特征（通过卷积层），其中 $\theta \in (0,1]$ 是压缩系数（compression rate）。当 $\theta =1$ 时，特征个数经过Transition层没有变化，即无压缩，而当压缩系数小于1时，这种结构称为DenseNet-C，文中使用$\theta =0.5$ 。对于使用bottleneck层的DenseBlock结构和压缩系数小于1的Transition组合结构称为DenseNet-BC。

3. 代码

首先实现DenseBlock中的内部结构，这里是BN+ReLU+1x1 Conv+BN+ReLU+3x3 Conv结构，最后也加入dropout层以用于训练过程。

class _DenseLayer(nn.Sequential):
    """Basic unit of DenseBlock (using bottleneck layer) """
    def __init__(self, num_input_features, growth_rate, bn_size, drop_rate):
        super(_DenseLayer, self).__init__()
        self.add_module("norm1", nn.BatchNorm2d(num_input_features))
        self.add_module("relu1", nn.ReLU(inplace=True))
        self.add_module("conv1", nn.Conv2d(num_input_features, bn_size*growth_rate,
                                           kernel_size=1, stride=1, bias=False))
        self.add_module("norm2", nn.BatchNorm2d(bn_size*growth_rate))
        self.add_module("relu2", nn.ReLU(inplace=True))
        self.add_module("conv2", nn.Conv2d(bn_size*growth_rate, growth_rate,
                                           kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False))
        self.drop_rate = drop_rate
 
    def forward(self, x):
        new_features = super(_DenseLayer, self).forward(x)
        if self.drop_rate > 0:
            new_features = F.dropout(new_features, p=self.drop_rate, training=self.training)
        return torch.cat([x, new_features], 1)

再实现DenseBlock模块，内部是密集连接方式（输入特征数线性增长）：

class _DenseBlock(nn.Sequential):
    """DenseBlock"""
    def __init__(self, num_layers, num_input_features, bn_size, growth_rate, drop_rate):
        super(_DenseBlock, self).__init__()
        for i in range(num_layers):
            layer = _DenseLayer(num_input_features+i*growth_rate, growth_rate, bn_size,
                                drop_rate)
            self.add_module("denselayer%d" % (i+1,), layer)

此外，我们实现Transition层，它主要是一个卷积层和一个池化层：

class _Transition(nn.Sequential):
    """Transition layer between two adjacent DenseBlock"""
    def __init__(self, num_input_feature, num_output_features):
        super(_Transition, self).__init__()
        self.add_module("norm", nn.BatchNorm2d(num_input_feature))
        self.add_module("relu", nn.ReLU(inplace=True))
        self.add_module("conv", nn.Conv2d(num_input_feature, num_output_features,
                                          kernel_size=1, stride=1, bias=False))
        self.add_module("pool", nn.AvgPool2d(2, stride=2))

最后，整个DenseNet网络代码：

class DenseNet(nn.Module):
    "DenseNet-BC model"
    def __init__(self, growth_rate=32, block_config=(6, 12, 24, 16), num_init_features=64,
                 bn_size=4, compression_rate=0.5, drop_rate=0, num_classes=1000):
        """
        :param growth_rate: (int) number of filters used in DenseLayer, `k` in the paper
        :param block_config: (list of 4 ints) number of layers in each DenseBlock
        :param num_init_features: (int) number of filters in the first Conv2d
        :param bn_size: (int) the factor using in the bottleneck layer
        :param compression_rate: (float) the compression rate used in Transition Layer
        :param drop_rate: (float) the drop rate after each DenseLayer
        :param num_classes: (int) number of classes for classification
        """
        super(DenseNet, self).__init__()
        # first Conv2d
        self.features = nn.Sequential(OrderedDict([
            ("conv0", nn.Conv2d(3, num_init_features, kernel_size=7, stride=2, padding=3, bias=False)),
            ("norm0", nn.BatchNorm2d(num_init_features)),
            ("relu0", nn.ReLU(inplace=True)),
            ("pool0", nn.MaxPool2d(3, stride=2, padding=1))
        ]))
 
        # DenseBlock
        num_features = num_init_features
        for i, num_layers in enumerate(block_config):
            block = _DenseBlock(num_layers, num_features, bn_size, growth_rate, drop_rate)
            self.features.add_module("denseblock%d" % (i + 1), block)
            num_features += num_layers*growth_rate
            if i != len(block_config) - 1:
                transition = _Transition(num_features, int(num_features*compression_rate))
                self.features.add_module("transition%d" % (i + 1), transition)
                num_features = int(num_features * compression_rate)
 
        # final bn+ReLU
        self.features.add_module("norm5", nn.BatchNorm2d(num_features))
        self.features.add_module("relu5", nn.ReLU(inplace=True))
 
        # classification layer
        self.classifier = nn.Linear(num_features, num_classes)
 
        # params initialization
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                nn.init.kaiming_normal_(m.weight)
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                nn.init.constant_(m.bias, 0)
                nn.init.constant_(m.weight, 1)
            elif isinstance(m, nn.Linear):
                nn.init.constant_(m.bias, 0)
 
    def forward(self, x):
        features = self.features(x)
        out = F.avg_pool2d(features, 7, stride=1).view(features.size(0), -1)
        out = self.classifier(out)
        return out

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