《动手学深度学习(PyTorch版)》笔记7.7

注：书中对代码的讲解并不详细，本文对很多细节做了详细注释。另外，书上的源代码是在Jupyter Notebook上运行的，较为分散，本文将代码集中起来，并加以完善，全部用vscode在python 3.9.18下测试通过，同时对于书上部分章节也做了整合。

Chapter7 Modern Convolutional Neural Networks

7.7 Densely Connected Networks(DenseNet)

稠密连接网络（DenseNet）在某种程度上是ResNet的逻辑扩展。ResNet将函数展开为
$$f(\mathbf{x})=\mathbf{x}+g(\mathbf{x}).$$也就是说，ResNet将$f$分解为一个简单的线性项和一个复杂的非线性项。如果想将$f$拓展成超过两部分的信息，一种方案便是DenseNet。ResNet和DenseNet的关键区别在于，DenseNe的输出是连接（用$[,]$表示），而不是ResNet的简单相加（如下图所示），因此我们可以执行从$\mathbf{x}$到其展开式的映射：

$$\mathbf{x}\to \left[\mathbf{x},f_1(\mathbf{x}),f_2([\mathbf{x},f_1(\mathbf{x})]),f_3([\mathbf{x},f_1(\mathbf{x}),f_2([\mathbf{x},f_1(\mathbf{x})])]),\dots \right].$$

最后，将这些展开式结合到多层感知机中，再次减少特征的数量。

DenseNet这个名字由变量之间的“稠密连接”而得来，稠密连接如下图所示。稠密网络主要由2部分构成：稠密块（dense block）和过渡层（transition layer）。前者定义如何连接输入和输出，而后者则控制通道数量，使其不会太复杂。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
import matplotlib.pyplot as plt

def conv_block(input_channels, num_channels):
    return nn.Sequential(
        nn.BatchNorm2d(input_channels), 
        nn.ReLU(),
        nn.Conv2d(input_channels, num_channels, kernel_size=3, padding=1))
    
class DenseBlock(nn.Module):
    def __init__(self, num_convs, input_channels, num_channels):
        super(DenseBlock, self).__init__()
        layer = []
        for i in range(num_convs):
            layer.append(conv_block(num_channels * i + input_channels, num_channels))
        self.net = nn.Sequential(*layer)

    def forward(self, X):
        for blk in self.net:
            Y = blk(X)
            # 连接通道维度上每个块的输入和输出
            X = torch.cat((X, Y), dim=1)
        return X

#在下面的例子中，我们定义一个有2个输出通道数为10的DenseBlock。
#使用通道数为3的输入时，我们会得到通道数为3+2x10=23的输出。
#卷积块的通道数控制了输出通道数相对于输入通道数的增长，因此也被称为*增长率*（growth rate）。

blk = DenseBlock(2, 3, 10)
X = torch.randn(4, 3, 8, 8)
Y = blk(X)
print(Y.shape)

#由于每个稠密块都会带来通道数的增加，过渡层可以用来控制模型复杂度。
#过渡层通过1x1卷积层来减小通道数，并使用步幅为2的平均汇聚层减半高和宽，以降低模型复杂度。

def transition_block(input_channels, num_channels):#过渡层
    return nn.Sequential(
        nn.BatchNorm2d(input_channels), nn.ReLU(),
        nn.Conv2d(input_channels, num_channels, kernel_size=1),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2))

blk = transition_block(23, 10)
print(blk(Y).shape)

b1 = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(1, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3),
    nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1))

#与ResNet类似，我们可以设置每个稠密块使用多少个卷积层。这里我们设成4，从而与ResNet-18保持一致。 
#稠密块里的卷积层通道数（即增长率）设为32，所以每个稠密块将增加128个通道。
#num_channels为当前的通道数
num_channels, growth_rate = 64, 32
num_convs_in_dense_blocks = [4, 4, 4, 4]#num_convs_in_dense_blocks表示每个稠密块中包含的卷积层的数量。在这里，有4个稠密块，每个稠密块中包含4个卷积层。
blks = []
for i, num_convs in enumerate(num_convs_in_dense_blocks):#enumerate()函数用于同时遍历列表元素及其索引
    blks.append(DenseBlock(num_convs, num_channels, growth_rate))
    # 上一个稠密块的输出通道数
    num_channels += num_convs * growth_rate
    # 在稠密块之间添加一个转换层，使通道数量减半
    if i != len(num_convs_in_dense_blocks) - 1:
        blks.append(transition_block(num_channels, num_channels // 2))
        num_channels = num_channels // 2
        
net = nn.Sequential(
    b1, *blks,
    nn.BatchNorm2d(num_channels), nn.ReLU(),
    nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)),
    nn.Flatten(),
    nn.Linear(num_channels, 10))

lr, num_epochs, batch_size = 0.1, 10, 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=96)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
plt.show()

训练结果: