PyTorch学习笔记（六）模型定义

目录

PyTorch模型定义的方式

基础知识

Sequential

ModuleList

ModuleDict

三种方法的比较与适用场景

利用模型块快速搭建复杂网络

PyTorch修改模型

修改模型层

添加外部输入

添加额外输出

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PyTorch模型定义的方式

基础知识

• Module类是torch.nn模块里提供的一个模型构造类（nn.Module），是所有神经网络模块的基类，可以继承它来定义模型；
• PyTorch模型定义应包括：各个部分的初始化（__init__）；数据流向定义（forward）

基于nn.Module，可以通过Sequential，ModuleList和ModuleDict三种方式定义PyTorch模型。

Sequential

对应模块为nn.Sequential()。当模型的前向计算为简单串联各个层的计算时，Sequential类可以通过更加简单的方式定义模型。它可以接受一个子模块的有序字典（OrderedDict）或者一系列子模块作为参数来逐一添加Module实例，而模型的前向计算是将这些实例按添加的顺序逐一计算。

class MySequential(nn.Module):
    from collections import OrderedDict
    def __init__(self, *args):
        super(MySequential, self).__init__()
        if len(args)==1 and isinstance(args[0], OrderedDict):
            #如果传入的是一个OrderedDict
            for key, module in args[0].items():
                self.add_module(key, module)
                # add_module方法会将module添加进self._modules(一个OrderedDict)
        else:
            for idx, module in enumerate(args):
                self.add_module(str(idx), module)
    
    def forward(self, input):
        # self._modules返回一个OrderedDict，保证会按照成员添加顺序遍历成
        for module in self._modules.values():
            input = module(input)
        return input

使用Sequential来定义模型只需要将模型的层按序排列起来，根据层名的不同，排列时有两种方式：

#直接排列
import torch.nn as nn
net = nn.Sequential(
        nn.Linear(784, 256),
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(256, 10),
        )
print(net)

#使用OrderedDict
import collections
import torch.nn as nn
net2 = nn.Sequential(collections.OrderedDict([
        ('fc1', nn.Linear(784, 256)),
        ('relu1', nn.ReLU()),
        ('fc2', nn.Linear(256, 10))
        ]))
print(net2)

使用Sequential定义模型的好处在于简单、易读，不需要再写forward，因为顺序已经定义好了。但使用Sequential会使得模型定义丧失灵活性，比如需要在模型中间加入一个外部输入时就不适合用Sequential的方式实现。

ModuleList

对应模块为nn.ModuleList()。ModuleList接收一个子模块的列表作为输入，也可以append和extend操作。同时，子模块或层的权重也会自动添加到网络中来。

net = nn.ModuleList([nn.Linear(784, 256), nn.ReLU()])
net.append(nn.Linear(256, 10))
print(net[-1])
print(net)

nn.ModuleList并没有定义网络，只是将不同的模块储存在一起。

ModuleList中元素的先后顺序不代表其在网络中的真实位置顺序，需要经过forward函数指定各个层的先后顺序后才算完成了模型的定义。具体实现时用for循环即可完成

class model(nn.Module):
    def __init__(self, ...):
        super().__init__()
        self.modulelist = ...
        ...

    def forward(self, x):
        for layer in self.modulelist:
            x = layer(x)
        return x

ModuleDict

对应模块为nn.ModuleDict()，能够更方便地为神经网络的层添加名称。

net = nn.ModuleDict({
    'linear':nn.Linear(784, 256),
    'act':nn.ReLU(),
})
net['output'] = nn.Linear(256, 10)
print(net['linear'])
print(net.output)
print(net)

三种方法的比较与适用场景

Sequential适用于快速验证结果，不需要同时写__init__和forward；

ModuleList和ModuleDict在某个完全相同的层需要重复出现多次时，可以“一行顶多行”；

当需要之前层的信息时，比如ResNets中的残差计算，当前层的结果需要和之前层中的结果进行融合，一般使用ModuleList/ModuleDict。

利用模型块快速搭建复杂网络

当模型的深度非常大的时候，使用Sequential定义模型结构需要向其中添加几百行代码，使用起来不甚方便。对于大部分模型结构，虽然模型有很多层，但其中有很多重复出现的结构。考虑到每一层有输入和输出，若干层串联成的模块也有其输入和输出。如果将这些重复出现的层定义为一个“模块”，每次只需要向网络中添加对应的模块来构建模型，这样将会极大便利模型构建的过程。

本节将U-Net为例，介绍如何构建模型块以及如何利用模型块快速搭建复杂模型。

U-Net是分割模型的杰作，通过残差连接结构解决了模型学习中的退后问题，使得神经网络的深度能够不断扩展。

模型分析：模型从上到下分为若干层，每层由左侧和右侧两个模型块组成，每侧的模型块与其上下模型块之间有连接；同时位于同一层左右两侧的模型块之间也有连接，称为‘skip-connection’。此外还有输入和输出处理等其他组成部分。

组成U-Net的模型块主要有每个子块内部的两次卷积（Double Convolution）、左侧模型块之间的下采样连接，即最大池化（Maxpooling）、右侧模型块之间的上采样连接（Up-sampling）以及输出层的处理。除模型块外，还有模型块之间的横向连接，输入和U-Net底部的连接等计算，这些单独的操作可以通过forward函数来实现。

代码实现：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class DoubleConv(nn.Module):
    # (convolution => [BN] => ReLU) * 2

    def __init__(self, in_channels, out_channels, mid_channels=None):
        super().__init__()
        if not mid_channels:
            mid_channels = out_channels
        self.double_conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels, mie_channels, kernel_size=3, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(mid_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(mid_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU(inplace=True)
    )
    def forward(self, x):
        return self.double_conv(x)

class Down(nn.Module):
    # Downscaling with maxpool then double conv
    
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super().__init__()
        self.maxpool_conv = nn.Sequential(
            nn.MaxPool2d(2),
            DoubleConv(in_channels, out_channels)
        )
    
    def forward(self, x):
        return self.maxpool_conv(x)

class Up(nn.Module):
    # Upscaling then double conv
    def __init__(self, in_channels, out_channels, bilinear=False):
        super().__init__()

        # if bilinear, use the normal convolutions to reduce the number of channels
        if bilinear:
            self.up = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
            self.conv = DoubleConv(in_channels, out_channels, in_channels//2)
        else:
            self.up = nn.ConvTranspose2d(in_channels, in_channels//2, kernel_size=2, stride=2)
            self.conv = DoubleConv(in_channels, out_channels)
    
    def forward(self, x1, x2):
        x1 = self.up(x1)
        # input is CHW
        diffY = x2.size()[2] - x1.size()[2]
        diffX = x2.size()[3] - x1.size()[3]
        
        x1 = F.pad(x1, [diffX//2, diffX-diffX//2, diffY//2, diffY-diffY//2])
        x = torch.cat([x2, x1], dim=1)
        return self.conv(x)

class OutConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(OutConv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1)

    def forward(self, x):
        return self.conv(x)

class UNet(nn.Module):
    def __init__(self, n_channels, n_classes, bilinear=False):
        super(UNet, self).__init__()
        self.n_channels = n_channels
        self.n_classes = n_classes
        self.bilinear = bilinear
    
        self.inc = DoubleConv(n_channels, 64)
        self.down1 = Down(64, 128)
        self.down2 = Down(128, 256)
        self.down3 = Down(256, 512)
        factor = 2 if bilinear else 1
        self.down4 = Down(512, 1024//factor)
        self.up1 = Up(1024, 512//factor, bilinear)
        self.up2 = Up(512, 256//factor, bilinear)
        self.up3 = Up(256, 128//facotr, bilinear)
        self.up4 = Up(128, 64, bilinear)
        self.outc = OutConv(64, n_classes)

    def forward(self, x):
        x1 = self.inc(x)
        x2 = self.down1(x1)
        x3 = self.down2(x2)
        x4 = self.down3(x3)
        x5 = self.down4(x4)
        x = self.up1(x5, x4)
        x = self.up2(x, x3)
        x = self.up3(x, x2)
        x = self.up4(x, x1)
        logits = self.outc(x)
        return logins

PyTorch修改模型

修改模型层

以pytroch官方视觉库torchvision预定义好的模型ResNet50为例，探索如何修改模型的某一层或者某几层。

import torch vision.models as models
net = models.resnet50()
print(net)

ResNet(
  (conv1): Conv2d(3, 64, kernel_size=(7, 7), stride=(2, 2), padding=(3, 3), bias=False)
  (bn1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (relu): ReLU(inplace=True)
  (maxpool): MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, ceil_mode=False)
  (layer1): Sequential(
    (0): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
      (downsample): Sequential(
        (0): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
        (1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      )
    )
..............
  (avgpool): AdaptiveAvgPool2d(output_size=(1, 1))
  (fc): Linear(in_features=2048, out_features=1000, bias=True)
)

这里模型结构是为了适配ImageNet预训练的权重，因此最后全连接层（fc）的输出节点是1000。假设要用resnet做10分类，就应该修改模型的fc层，将其输出节点数替换为10。另外，需要再加一层全连接层。

from collections import OrderedDict
classifier = nn.Sequential(OrderedDict([('fc1', nn.Linear(2048, 128)),
                            ('relu1', nn.ReLU()),
                            ('dropout1', nn.Dropout(0.5)),
                            ('fc2', nn.Linear(128, 10)),
                            ('output', nn.Softmax(dim=1))
                            ]))
net.fc = classifier

最后的操作相当于将模型（net）最后名称为‘fc’的层替换成了名称为‘classifier’的结构。修改后的模型可以执行10分类任务。

添加外部输入

在模型训练中，除了已有模型的输入之后还需要输入额外的信息。基本思路是：将原模型添加输入位置前的部分作为一个整体，同时在forward中定义好原模型不变的部分、添加的输入和后续层之间的连接关系，从而完成模型的修改。

以torchvision的resnet50模型为基础，任务还是10分类的；不同点在于，利用已有的模型结构，在倒数第二层增加一个额外的输入变量add_variable来辅助预测。

class Model(nn.Module):
    def __init__(self, net):
        super(Model, self).__init__()
        self.net = net
        self.relu = nn.ReLU()
        self.dropout = nn.Dropout(0.5)
        self.fc_add = nn.Linear(1001, 10, bias=True)
        self.output = nn.Softmax(dim=1)

    def forward(self, x, add_variable):
        x = self.net(x)
        x = torch.cat((self.dropout(self.relu(x)), add_variable.unsqueeze(1)),1)
        x = self.fc_add(x)
        x = self.output(x)
        return x

实现要点是通过torch.cat实现了tensor的拼接。

torchvision中的resnet50输出是一个1000维的tensor，通过修改forward函数，先将1000维的tensor通过激活函数层和dropout层，再和外部输入变量"add_variable"拼接，最后通过全连接层映射到指定的输出维度10。

另外对外部输入变量"add_variable"进行unsqueeze操作是为了和net输出的tensor保持维度一致，常用于add_variable是单一数值 (scalar) 的情况，此时add_variable的维度是 (batch_size, )，需要在第二维补充维数1，从而可以和tensor进行torch.cat操作。

之后对修改好的模型结构进行实例化

import torchvision.models as models
net = models.resnet50()
model = Model(net).cuda()

训练中在输入数据的时候要给两个inputs：

outputs = model(input, add_var)

添加额外输出

在模型训练中，除了模型最后的输出外，需要输出模型某一中间层的结果，已施加额外的监督，获得更好的中间层结果。基本思路是修改模型定义中forward函数的return变量。

class Model(nn.Module):
    def __init__(self, net):
        super(Model, self).__init__()
        self.net = net
        self.relu = nn.ReLU()
        self.dropout = nn.Dropout(0.5)
        self.fc1 = nn.Linear(1000, 10, bias=True)
        self.output = nn.Softmax(dim=1)

    def forward(self, x, add_variable):
        x1000 = self.net(x)
        x10 = self.dropout(self.relu(x1000))
        x10 = self.fc1(x10)
        x10 = self.output(x10)
        return x10, x1000

之后对修改好的模型结构进行实例化，就可以使用了

import torchvision.models as models
net = models.resnet50()
model = Model(net).cuda()

训练中在输入数据后有两个outputs：

out10, out1000 = model(inputs, add_var)

PyTorch模型保存与读取

模型存储格式

主要采用pkl，pt，pth三种格式。

模型存储内容

一个PyTorch模型主要包含两部分：模型结构和权重，其中模型是继承nn.module的类，权重的数据结构是一个字典（key是层名，value是权重向量）。存储分两种：存储整个模型和只存储模型权重。

import torchvision import models
model = models.resnet152(pretrained=True)
torch.save(model, save_dir)#保存整个模型
torch.save(model.state_dict, save_dir)#保存模型权重

对于PyTorch而言，pt,pth和pkl三种数据格式均支持模型权重和整个模型的存储，因此使用上没有差别。

单卡和多卡模型存储的区别

PyTorch中将模型和数据放到GPU上有两种方式：.cuda()和.to(device)，如果使用多卡训练的话，需要对模型使用torch.nn.DataParallel。

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0' #如果是多卡改成类似0，1，2
model = model.cuda() #单卡
model = torch.nn.DataParallel(model).cuda() #多卡

情况分类讨论

由于训练和测试所使用的硬件条件不同，在模型的保存和加载过程中可能因为单GPU和多GPU环境的不同带来模型不匹配等问题。这里对PyTorch框架下单卡/多卡下模型的保存和加载问题进行排列组合，样例模型是torchvision中预训练模型resnet152。

• 单卡保存和单卡加载

import os, torch
from torchvision import models

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0'#这里替换成希望使用的GPU编号
model = models.resnet152(pretrained=True)
model.cuda()

#保存+读取整个模型
torch.save(model, save_dir)
loaded_model = torch.load(save_dir)
loaded_model.cuda()

#保存+读取模型权重
torch.save(model.state_dict(), save_dir)
loaded_dict = torch.load(save_dir)
loaded_model = models.resnet152()
loaded_model.state_dict = loaded_dict
loaded_model.cuda()

• 单卡保存+多卡加载

import os, torch
from torchvision import models

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0'
model = models.resnet152(pretrained=True)
model.cuda()

#保存+读取整个模型
torch.save(model, save_dir)
os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '1,2'
loaded_model = torch.load(save_dir)
loaded_model = nn.DataParallel(loaded_model).cuda()

#保存+读取模型权重
torch.save(model.state_dict(), save_dir)
os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '1,2'# 替换成希望使用的GPU编号
loaded_dict = torch.load(save_dir)
loaded_model = models.resnet152()# 注意这里需要对模型结构有定义
loaded_model.state_dict = loaded_dict
loaded_model = nn.DataParallel(loaded_model).cuda()

• 多卡保存+单卡加载

核心问题是如何去掉权重字典键名中的“module”，以保证模型的统一性。

对于加载整个模型，直接提取模型的module属性即可

import os, torch
from torchvision import models

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '1,2' #这里替换成希望使用的GPU编号

model = models.resnet152(pretrained=True)
model = nn.DataParallel(model).cuda()

# 保存+读取整个模型
torch.save(model, save_dir)

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0' #这里替换成希望使用的GPU编号
loaded_model = torch.load(save_dir)
loaded_model = loaded_model.module

对于加载模型权重，有以下几种思路：

去除字典里的module较麻烦，往model里添加module简单

import os, torch
from torchvision import models

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0,1,2'

model = models.resnet152(pretrained=True)
model = nn.DataParallel(model).cuda()

#保存+读取模型权重
torch.save(model.state_dict(), save_dir)

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0'
loaded_dict = torch.load(save_dir)
loaded_model = models.resnet152()
loaded_model = nn.DataParallel(loaded_model).cuda()
loaded_model.state_dict = loaded_dict

遍历字典去除module

from collections import OrderedDict
os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0'

loaded_dict = torch.load(save_dir)

new_state_dict = OrderedDict()
for k, v in loaded_dict.items():
    name = k[7:] # module字段在最前面，从第7个字符开始就可以去掉module
    new_state_dict[name] = v # 新字典的key值对应的value一一对应

loaded_model = models.resnet152()
loaded_model.state_dict = new_state_dict
loaded_model = loaded_model.cuda()

使用replace操作去除module

loaded_model = models.resnet152()
loaded_dict = torch.load(save_dir)
loaded_model.load_state_dict({k.replace('module.',''): v for k, v in loaded_dict.items()})

• 多卡保存+多卡加载

由于是模型保存和加载都使用的是多卡，因此不存在模型层名前缀不同的问题。但多卡状态下存在一个device（使用的GPU）匹配的问题，即保存整个模型时会同时保存所使用的GPU id等信息，读取时若这些信息和当前使用的GPU信息不符则可能会报错或者程序不按预定状态运行。具体表现为以下两点：

读取整个模型再使用nn.DataParallel进行分布式训练设置

这种情况很可能会造成保存的整个模型中GPU id和读取环境下设置的GPU id不符，训练时数据所在device和模型所在device不一致而报错。

读取整个模型而不使用nn.DataParallel进行分布式训练设置

这种情况可能不会报错，测试中发现程序会自动使用设备的前n个GPU进行训练（n是保存的模型使用的GPU个数）。此时如果指定的GPU个数少于n，则会报错。在这种情况下，只有保存模型时环境的device id和读取模型时环境的device id一致，程序才会按照预期在指定的GPU上进行分布式训练。

相比之下，读取模型权重，之后再使用nn.DataParallel进行分布式训练设置则没有问题。因此多卡模式下建议使用权重的方式存储和读取模型：

import os, torch
from torchvision import models

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0,1,2'

model = models.resnet152(pretrained=True)
model = nn.DataParallel(model).cuda()

#保存+读取模型权重，强烈建议！！
torch.save(model.state_dict(), save_dir)
loaded_dict = torch.load(save_dir)
loaded_model = models.resnet152()
loaded_model = nn.DataParallel(loaded_model).cuda()
loaded_model.state_dict = loaded_dict

如果只有保存的整个模型，也可以采用提取权重的方式构建新的模型：

#读取整个模型
loaded_whole_model = torch.load(save_dir)
loaded_model = models.resnet152()
loaded_model.state_dict = loaded_whole_model.state_dict
loaded_model = nn.DataParallel(loaded_model).cuda()

另外，所有对于loaded_model修改权重字典的形式都是通过赋值来实现的，在PyTorch中还可以通过“load_state_dict”函数来实现：

loaded_model.load_state_dict(loaded_dict)

附：测试环境 OS: Ubuntu 20.02 LTS GPU: GeForce RTX 2080 Ti(x3)