9、动手学深度学习——使用块的网络（VGG）

1、VGG块

虽然AlexNet证明深层神经网络卓有成效，但它没有提供一个通用的模板来指导后续的研究人员设计新的网络。 在下面的几个章节中，我们将介绍一些常用于设计深层神经网络的启发式概念。

与芯片设计中工程师从放置晶体管到逻辑元件再到逻辑块的过程类似，神经网络架构的设计也逐渐变得更加抽象。研究人员开始从单个神经元的角度思考问题，发展到整个层，现在又转向块，重复层的模式。

使用块的想法首先出现在牛津大学的 视觉几何组（visual geometry group） 的VGG网络中。通过使用循环和子程序，可以很容易地在任何现代深度学习框架的代码中实现这些重复的架构。

经典卷积神经网络的基本组成部分是下面的这个序列：

1. 带填充以保持分辨率的卷积层；
2. 非线性激活函数，如ReLU；
3. 汇聚层，如最大汇聚层。

而一个VGG块与之类似，由一系列卷积层组成，后面再加上用于空间下采样的最大汇聚层。在最初的VGG论文中 (Simonyan and Zisserman, 2014)，作者使用了带有卷积核、填充为1（保持高度和宽度）的卷积层，和带有汇聚窗口、步幅为2（每个块后的分辨率减半）的最大汇聚层。在下面的代码中，我们定义了一个名为vgg_block的函数来实现一个VGG块。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l


def vgg_block(num_convs, in_channels, out_channels):
    layers = []
    for _ in range(num_convs):
        layers.append(nn.Conv2d(in_channels, out_channels,
                                kernel_size=3, padding=1))
        layers.append(nn.ReLU())
        in_channels = out_channels
    layers.append(nn.MaxPool2d(kernel_size=2,stride=2))
    # print(layers)                # 用于调试，查看每层信息
    return nn.Sequential(*layers)

该函数有三个参数，分别对应于卷积层的数量num_convs、输入通道的数量in_channels 和输出通道的数量out_channels。

2、VGG网络

与AlexNet、LeNet一样，VGG网络可以分为两部分：第一部分主要由卷积层和汇聚层组成，第二部分由全连接层组成。

由多个尺寸相同的卷积层和一个池化层构成一个VGG块，这个块来代替AlexNet中11x11卷积层和3x3池化层与5x5卷积层和3x3池化层这一部分，用更加模块化的方式进行替代。

VGG神经网络连接 图7.2.1的几个VGG块（在vgg_block函数中定义）。其中有超参数变量conv_arch。该变量指定了每个VGG块里卷积层个数和输出通道数。全连接模块则与AlexNet中的相同。

原始VGG网络有5个卷积块，其中前两个块各有一个卷积层，后三个块各包含两个卷积层。 第一个模块有64个输出通道，每个后续模块将输出通道数量翻倍，直到该数字达到512。由于该网络使用8个卷积层和3个全连接层，因此它通常被称为VGG-11。

conv_arch = ((1, 64), (1, 128), (2, 256), (2, 512), (2, 512))

def vgg(conv_arch):
    conv_blks = []
    in_channels = 1
    # 卷积层部分
    for (num_convs, out_channels) in conv_arch:
        # 查看每层信息
        # print(f'num_convs {num_convs}, in_channels {in_channels}, out_channels {out_channels}')
        conv_blks.append(vgg_block(num_convs, in_channels, out_channels))        
        in_channels = out_channels

    return nn.Sequential(
        *conv_blks, nn.Flatten(),
        # 全连接层部分
        nn.Linear(out_channels * 7 * 7, 4096), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),
        nn.Linear(4096, 4096), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),
        nn.Linear(4096, 10))

net = vgg(conv_arch)
net		# 查看net结构

Sequential(
  (0): Sequential(
    (0): Conv2d(1, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (1): ReLU()
    (2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  )
  (1): Sequential(
    (0): Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (1): ReLU()
    (2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  )
  (2): Sequential(
    (0): Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (1): ReLU()
    (2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (3): ReLU()
    (4): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  )
  (3): Sequential(
    (0): Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (1): ReLU()
    (2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (3): ReLU()
    (4): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  )
  (4): Sequential(
    (0): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (1): ReLU()
    (2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
    (3): ReLU()
    (4): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  )
  (5): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
  (6): Linear(in_features=25088, out_features=4096, bias=True)
  (7): ReLU()
  (8): Dropout(p=0.5, inplace=False)
  (9): Linear(in_features=4096, out_features=4096, bias=True)
  (10): ReLU()
  (11): Dropout(p=0.5, inplace=False)
  (12): Linear(in_features=4096, out_features=10, bias=True)
)

可以看出，主要VGG块分为三部分。
第一部分是只含有一个卷积层和一个池化层操作的层（0层和1层）：这一部分会让图片的高宽减半，下一层的输出通道数变为上一层的两倍。
第二部分是含有两个卷积层和一个池化层操作的层（2层和3层）：第一个卷积层让通道数翻倍，第二个卷积层相当于是进行了全连接操作，最后池化层让高宽减半。
第三部分也是含有两个卷积层和一个池化层的层：与上述第二部分不同的是，这一部分里会保持输出通道数不变，然后和第二层卷积层进行全连接操作，最后进行池化操作。

然后，与AlexNet相同，最后进行了都展开全连接层，直至类别输出预测。

接下来，我们将构建一个高度和宽度为224的单通道数据样本，以观察每个层输出的形状。

X = torch.randn(size=(1, 1, 224, 224))
for blk in net:
    X = blk(X)
    print(blk.__class__.__name__,'output shape:\t',X.shape)

Sequential output shape:	 torch.Size([1, 64, 112, 112])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 128, 56, 56])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 256, 28, 28])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 512, 14, 14])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 512, 7, 7])
Flatten output shape:	 torch.Size([1, 25088])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 10])

正如从代码中所看到的，我们在每个块的高度和宽度减半，最终高度和宽度都为7。最后再展平表示，送入全连接层处理。

3、训练

由于VGG-11比AlexNet计算量更大，因此我们构建了一个通道数较少的网络，足够用于训练Fashion-MNIST数据集。

ratio = 4
small_conv_arch = [(pair[0], pair[1] // ratio) for pair in conv_arch]
net = vgg(small_conv_arch)

除了使用略高的学习率外，模型训练过程与 7.1节中的AlexNet类似。

lr, num_epochs, batch_size = 0.05, 10, 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

loss 0.220, train acc 0.918, test acc 0.900
2578.4 examples/sec on cuda:0

参考文章：7.2. 使用块的网络（VGG）