目录
一、网络介绍
1、全连接层存在的问题
2、NiN的解决方案(NiN块)
3、NiN架构
4、总结
二、代码实现
1、定义NiN卷积块
2、NiN模型
3、训练模型
NiN(Network in Network)是一种用于图像识别任务的卷积神经网络模型。它由谷歌研究员Min Lin、Qiang Chen和Shouyuan Chen于2013年提出。NiN的设计理念是通过引入“网络中的网络”结构来增强模型的表示能力。
在之前的网络(比如AlexNet和VGGNet)后面都用了几个比较大的全连接层,全连接层中的参数相比于卷积层多得多,一个网络的参数大多都在全连接层,并且可以认为主要分布在卷积层之后的第一个全连接层。因此全连接层最大的问题是可能造成过拟合。
NiN的核心思想是使用1x1卷积层替代传统的全连接层。传统的卷积神经网络通常使用卷积层提取特征,然后通过全连接层进行分类。而NiN则在卷积层中引入了一种称为“1x1卷积”的操作,这个操作可以看作是在每个像素点上进行的全连接操作。通过使用1x1卷积,NiN能够在卷积层中引入非线性,增加模型的表达能力,并且减少了参数的数量。
和VGG一样,NiN也有自己的块(NiN块),每一个NiN块其实就相当于一个小的神经网络(因为它具有卷积层和类似于全连接层的 卷积层),因此叫网络中的网络。NiN块首先有一个卷积层,然后后跟两个
的卷积层(
的卷积层等价于全连接层)。
全局池化层:池化层的高和宽等于输入的高和宽,一个通道得出一个值,用这个值当作对类别的预测。
NiN的想法是将空间维度中的每个像素视为单个样本,将通道维度视为不同特征(feature)。下图说明了VGG和NiN及它们的块之间主要架构差异。NiN块以一个普通卷积层开始,后面是两个 的卷积层。NiN块第一层的卷积窗口形状通常由用户设置。随后的卷积窗口形状固定为
。
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
def nin_block(in_channels, out_channels, kernel_size, strides, padding):
return nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, strides, padding),
nn.ReLU(),
nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=1), nn.ReLU(),
nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=1), nn.ReLU())
最初的NiN网络是在AlexNet后不久提出的,显然从中得到了一些启示。NiN使用窗口形状为、
和
的卷积层,输出通道数量与AlexNet中的相同。每个NiN块后有一个最大池化层,池化窗口形状为
,步幅为2。
NiN和AlexNet之间的一个显著区别是NiN完全取消了全连接层。相反,NiN使用一个个NiN块,最后一个NiN块的输出通道数等于标签类别的数量。最后放一个全局平均池化层(global average pooling layer),生成一个对数几率(logits)。NiN设计的一个优点是,它显著减少了模型所需参数的数量。然而,在实践中,这种设计有时会增加训练模型的时间。
net = nn.Sequential(
nin_block(1, 96, kernel_size=11, strides=4, padding=0),
nn.MaxPool2d(3, stride=2),
nin_block(96, 256, kernel_size=5, strides=1, padding=2),
nn.MaxPool2d(3, stride=2),
nin_block(256, 384, kernel_size=3, strides=1, padding=1),
nn.MaxPool2d(3, stride=2),
nn.Dropout(0.5),
# 标签类别数是10
nin_block(384, 10, kernel_size=3, strides=1, padding=1), # 通道数先增加后减少:1->96->256->384->10
nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)), # 注意这里的(1, 1)不是kernel_size,而是output_size
# 将四维的输出转成二维的输出,其形状为(批量大小, 10)
nn.Flatten()) # Flatten会把channel、height和width展平成一行
我们创建一个数据样本来查看每个块的输出形状。
X = torch.rand(size=(1, 1, 224, 224))
for layer in net:
X = layer(X)
print(layer.__class__.__name__,'output shape:\t', X.shape)
Sequential output shape: torch.Size([1, 96, 54, 54])
MaxPool2d output shape: torch.Size([1, 96, 26, 26])
Sequential output shape: torch.Size([1, 256, 26, 26])
MaxPool2d output shape: torch.Size([1, 256, 12, 12])
Sequential output shape: torch.Size([1, 384, 12, 12])
MaxPool2d output shape: torch.Size([1, 384, 5, 5])
Dropout output shape: torch.Size([1, 384, 5, 5])
Sequential output shape: torch.Size([1, 10, 5, 5])
AdaptiveAvgPool2d output shape: torch.Size([1, 10, 1, 1])
Flatten output shape: torch.Size([1, 10])
我们使用Fashion-MNIST来训练模型。训练NiN与训练AlexNet、VGG时相似。
lr, num_epochs, batch_size = 0.1, 10, 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224) # 调节图片尺寸为224
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
loss 0.563, train acc 0.786, test acc 0.790
3087.6 examples/sec on cuda:0