pytorch中如何實(shí)現(xiàn)ResNet結(jié)構(gòu)

小編給大家分享一下pytorch中如何實(shí)現(xiàn)ResNet結(jié)構(gòu)，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

1.ResNet的創(chuàng)新

現(xiàn)在重新稍微系統(tǒng)的介紹一下ResNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 ResNet結(jié)構(gòu)首先通過(guò)一個(gè)卷積層然后有一個(gè)池化層，然后通過(guò)一系列的殘差結(jié)構(gòu)，最后再通過(guò)一個(gè)平均池化下采樣操作，以及一個(gè)全連接層的得到了一個(gè)輸出。ResNet網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到很深的層數(shù)的原因就是不斷的堆疊殘差結(jié)構(gòu)而來(lái)的。

1）亮點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)中的亮點(diǎn) ：

• 超深的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)( 突破1000 層)

• 提出residual 模塊

• 使用Batch Normalization 加速訓(xùn)練( 丟棄dropout)

但是，一般來(lái)說(shuō)，并不是一直的加深神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)就會(huì)得到一個(gè)更好的結(jié)果，一般太深的網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)過(guò)擬合的現(xiàn)象嚴(yán)重，可能還沒(méi)有一些淺層網(wǎng)絡(luò)要好。

2）原因

其中有兩個(gè)原因：

• 梯度消失或梯度爆炸

當(dāng)層數(shù)過(guò)多的時(shí)候，假設(shè)每一層的誤差梯度都是一個(gè)小于1的數(shù)值，當(dāng)進(jìn)行方向傳播的過(guò)程中，每向前傳播一層，都要乘以一個(gè)小于1的誤差梯度，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越深時(shí)，所成的小于1的系數(shù)也就越來(lái)越多，此時(shí)梯度便越趨近于0，這樣梯度便會(huì)越來(lái)越小。這便會(huì)造成梯度消失的現(xiàn)象。

而當(dāng)所成的誤差梯度是一個(gè)大于1的系數(shù)，而隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的加深，梯度便會(huì)越來(lái)越大，這便會(huì)造成梯度爆炸的現(xiàn)象。

• 退化問(wèn)題(degradation problem)

當(dāng)解決了梯度消失或者梯度爆炸的問(wèn)題之后，其實(shí)網(wǎng)絡(luò)的效果可能還是不盡如意，還可能有退化問(wèn)題。為此，ResNet提出了殘差結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)退化問(wèn)題。 也正是因?yàn)橛羞@個(gè)殘差的結(jié)構(gòu)，所以才可以搭建這么深的網(wǎng)絡(luò)。

2.ResNet的結(jié)構(gòu)

殘差結(jié)構(gòu)如圖所示

作圖是針對(duì)ResNet-18/34層淺層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，右圖是ResNet-50/101/152層深層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，其中注意：主分支與shortcut 的輸出特征矩陣shape。

一下表格為網(wǎng)絡(luò)的一些主要參數(shù)

可以看見(jiàn)，不同層數(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)其實(shí)框架是類似的，不同的至少堆疊的殘差結(jié)構(gòu)的數(shù)量。

1）淺層的殘差結(jié)構(gòu)

需要注意，有些殘差結(jié)構(gòu)的ShortCut是實(shí)線，而有的是虛線，這兩者是不同的。對(duì)于左圖來(lái)說(shuō)，ShortCut是實(shí)線，這表明輸入與輸出的shape是一樣的，所以可以直接的進(jìn)行相加。而對(duì)于右圖來(lái)說(shuō)，其輸入的shape與輸出的shape是不一樣的，這時(shí)候需要調(diào)整步長(zhǎng)stribe與kernel size來(lái)使得兩條路（主分支與捷徑分支）所處理好的shape是一模一樣的。

2）深層的殘差結(jié)構(gòu)

同樣的，需要注意，主分支與shortcut 的輸出特征矩陣shape必須相同，同樣的通過(guò)步長(zhǎng)來(lái)調(diào)整。

但是注意原論文中：

右側(cè)虛線殘差結(jié)構(gòu)的主分支上、第一個(gè)1x1卷積層的步距是2，第二個(gè)3x3卷積層的步距是1.

而在pytorch官方實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中是第一個(gè)1x1卷積層的步距是1，第二個(gè)3x3卷積層步距是2，這樣能夠在ImageNet的top1上提升大概0.5%的準(zhǔn)確率。

所以在conv3_x,conv4_x,conv5_x中所對(duì)應(yīng)的殘差結(jié)構(gòu)的第一層，都是指虛線的殘差結(jié)構(gòu)，其他的殘差結(jié)構(gòu)是實(shí)線的殘差結(jié)構(gòu)。

3）總結(jié)

對(duì)于每個(gè)大模塊中的第一個(gè)殘差結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)虛線分支來(lái)調(diào)整殘差結(jié)構(gòu)的輸入與輸出是同一個(gè)shape。此時(shí)使用了下采樣的操作函數(shù)。
對(duì)于每個(gè)大模塊中的其他剩余的殘差結(jié)構(gòu)，只需要通過(guò)實(shí)線分支來(lái)調(diào)整殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠漭敵龊洼斎氡旧砭褪峭粋€(gè)shape的。

對(duì)于第一個(gè)大模塊的第一個(gè)殘差結(jié)構(gòu)，其第二個(gè)3x3的卷積中，步長(zhǎng)是1的，而其他的三個(gè)大模塊的步長(zhǎng)均為2.
在每一個(gè)大模塊的維度變換中，主要是第一個(gè)殘差結(jié)構(gòu)使得shape減半，而模塊中其他的殘差結(jié)構(gòu)都是沒(méi)有改變shape的。也真因?yàn)闆](méi)有改變shape，所以這些殘差結(jié)構(gòu)才可以直接的通過(guò)實(shí)線進(jìn)行相加。

3.Batch Normalization

Batch Normalization的目的是使我們的一批（Batch）特征矩陣feature map滿足均值為0，方差為1的分布規(guī)律。

其中：
μ，σ_2在正向傳播過(guò)程中統(tǒng)計(jì)得到
γ，β在反向傳播過(guò)程中訓(xùn)練得到

Batch Normalization是google團(tuán)隊(duì)在2015年論文《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift》提出的。通過(guò)該方法能夠加速網(wǎng)絡(luò)的收斂并提升準(zhǔn)確率。

具體的相關(guān)原理見(jiàn)：Batch Normalization詳解以及pytorch實(shí)驗(yàn)

4.參考代碼

import torch
import torch.nn as nn

# 分類數(shù)目
num_class = 5
# 各層數(shù)目
resnet18_params = [2, 2, 2, 2]
resnet34_params = [3, 4, 6, 3]
resnet50_params = [3, 4, 6, 3]
resnet101_params = [3, 4, 23, 3]
resnet152_params = [3, 8, 36, 3]


# 定義Conv1層
def Conv1(in_planes, places, stride=2):
    return nn.Sequential(
        nn.Conv2d(in_channels=in_planes,out_channels=places,kernel_size=7,stride=stride,padding=3, bias=False),
        nn.BatchNorm2d(places),
        nn.ReLU(inplace=True),
        nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
    )


# 淺層的殘差結(jié)構(gòu)
class BasicBlock(nn.Module):
    def __init__(self,in_places,places, stride=1,downsampling=False, expansion = 1):
        super(BasicBlock,self).__init__()
        self.expansion = expansion
        self.downsampling = downsampling

        # torch.Size([1, 64, 56, 56]), stride = 1
        # torch.Size([1, 128, 28, 28]), stride = 2
        # torch.Size([1, 256, 14, 14]), stride = 2
        # torch.Size([1, 512, 7, 7]), stride = 2
        self.basicblock = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=in_places, out_channels=places, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(places),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(in_channels=places, out_channels=places, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(places * self.expansion),
        )

        # torch.Size([1, 64, 56, 56])
        # torch.Size([1, 128, 28, 28])
        # torch.Size([1, 256, 14, 14])
        # torch.Size([1, 512, 7, 7])
        # 每個(gè)大模塊的第一個(gè)殘差結(jié)構(gòu)需要改變步長(zhǎng)
        if self.downsampling:
            self.downsample = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_channels=in_places, out_channels=places*self.expansion, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(places*self.expansion)
            )
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        # 實(shí)線分支
        residual = x
        out = self.basicblock(x)

        # 虛線分支
        if self.downsampling:
            residual = self.downsample(x)

        out += residual
        out = self.relu(out)
        return out


# 深層的殘差結(jié)構(gòu)
class Bottleneck(nn.Module):

    # 注意:默認(rèn) downsampling=False
    def __init__(self,in_places,places, stride=1,downsampling=False, expansion = 4):
        super(Bottleneck,self).__init__()
        self.expansion = expansion
        self.downsampling = downsampling

        self.bottleneck = nn.Sequential(
            # torch.Size([1, 64, 56, 56])，stride=1
            # torch.Size([1, 128, 56, 56])，stride=1
            # torch.Size([1, 256, 28, 28]), stride=1
            # torch.Size([1, 512, 14, 14]), stride=1
            nn.Conv2d(in_channels=in_places,out_channels=places,kernel_size=1,stride=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(places),
            nn.ReLU(inplace=True),
            # torch.Size([1, 64, 56, 56])，stride=1
            # torch.Size([1, 128, 28, 28]), stride=2
            # torch.Size([1, 256, 14, 14]), stride=2
            # torch.Size([1, 512, 7, 7]), stride=2
            nn.Conv2d(in_channels=places, out_channels=places, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(places),
            nn.ReLU(inplace=True),
            # torch.Size([1, 256, 56, 56])，stride=1
            # torch.Size([1, 512, 28, 28]), stride=1
            # torch.Size([1, 1024, 14, 14]), stride=1
            # torch.Size([1, 2048, 7, 7]), stride=1
            nn.Conv2d(in_channels=places, out_channels=places * self.expansion, kernel_size=1, stride=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(places * self.expansion),
        )

        # torch.Size([1, 256, 56, 56])
        # torch.Size([1, 512, 28, 28])
        # torch.Size([1, 1024, 14, 14])
        # torch.Size([1, 2048, 7, 7])
        if self.downsampling:
            self.downsample = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(in_channels=in_places, out_channels=places*self.expansion, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(places*self.expansion)
            )
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        # 實(shí)線分支
        residual = x
        out = self.bottleneck(x)

        # 虛線分支
        if self.downsampling:
            residual = self.downsample(x)

        out += residual
        out = self.relu(out)

        return out


class ResNet(nn.Module):
    def __init__(self,blocks, blockkinds, num_classes=num_class):
        super(ResNet,self).__init__()

        self.blockkinds = blockkinds
        self.conv1 = Conv1(in_planes = 3, places= 64)

        # 對(duì)應(yīng)淺層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
        if self.blockkinds == BasicBlock:
            self.expansion = 1
            # 64 -> 64
            self.layer1 = self.make_layer(in_places=64, places=64, block=blocks[0], stride=1)
            # 64 -> 128
            self.layer2 = self.make_layer(in_places=64, places=128, block=blocks[1], stride=2)
            # 128 -> 256
            self.layer3 = self.make_layer(in_places=128, places=256, block=blocks[2], stride=2)
            # 256 -> 512
            self.layer4 = self.make_layer(in_places=256, places=512, block=blocks[3], stride=2)

            self.fc = nn.Linear(512, num_classes)

        # 對(duì)應(yīng)深層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
        if self.blockkinds == Bottleneck:
            self.expansion = 4
            # 64 -> 64
            self.layer1 = self.make_layer(in_places = 64, places= 64, block=blocks[0], stride=1)
            # 256 -> 128
            self.layer2 = self.make_layer(in_places = 256,places=128, block=blocks[1], stride=2)
            # 512 -> 256
            self.layer3 = self.make_layer(in_places=512,places=256, block=blocks[2], stride=2)
            # 1024 -> 512
            self.layer4 = self.make_layer(in_places=1024,places=512, block=blocks[3], stride=2)

            self.fc = nn.Linear(2048, num_classes)

        self.avgpool = nn.AvgPool2d(7, stride=1)

        # 初始化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                # 采用了何凱明的初始化方法
                nn.init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out', nonlinearity='relu')
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                nn.init.constant_(m.weight, 1)
                nn.init.constant_(m.bias, 0)

    def make_layer(self, in_places, places, block, stride):

        layers = []

        # torch.Size([1, 64, 56, 56])  -> torch.Size([1, 256, 56, 56])， stride=1 故w，h不變
        # torch.Size([1, 256, 56, 56]) -> torch.Size([1, 512, 28, 28])， stride=2 故w，h變
        # torch.Size([1, 512, 28, 28]) -> torch.Size([1, 1024, 14, 14])，stride=2 故w，h變
        # torch.Size([1, 1024, 14, 14]) -> torch.Size([1, 2048, 7, 7])， stride=2 故w，h變
        # 此步需要通過(guò)虛線分支，downsampling=True
        layers.append(self.blockkinds(in_places, places, stride, downsampling =True))

        # torch.Size([1, 256, 56, 56]) -> torch.Size([1, 256, 56, 56])
        # torch.Size([1, 512, 28, 28]) -> torch.Size([1, 512, 28, 28])
        # torch.Size([1, 1024, 14, 14]) -> torch.Size([1, 1024, 14, 14])
        # torch.Size([1, 2048, 7, 7]) -> torch.Size([1, 2048, 7, 7])
        # print("places*self.expansion:", places*self.expansion)
        # print("block:", block)
        # 此步需要通過(guò)實(shí)線分支，downsampling=False， 每個(gè)大模塊的第一個(gè)殘差結(jié)構(gòu)需要改變步長(zhǎng)
        for i in range(1, block):
            layers.append(self.blockkinds(places*self.expansion, places))

        return nn.Sequential(*layers)


    def forward(self, x):

        # conv1層
        x = self.conv1(x)   # torch.Size([1, 64, 56, 56])

        # conv2_x層
        x = self.layer1(x)  # torch.Size([1, 256, 56, 56])
        # conv3_x層
        x = self.layer2(x)  # torch.Size([1, 512, 28, 28])
        # conv4_x層
        x = self.layer3(x)  # torch.Size([1, 1024, 14, 14])
        # conv5_x層
        x = self.layer4(x)  # torch.Size([1, 2048, 7, 7])

        x = self.avgpool(x) # torch.Size([1, 2048, 1, 1]) / torch.Size([1, 512])
        x = x.view(x.size(0), -1)   # torch.Size([1, 2048]) / torch.Size([1, 512])
        x = self.fc(x)      # torch.Size([1, 5])

        return x

def ResNet18():
    return ResNet(resnet18_params, BasicBlock)

def ResNet34():
    return ResNet(resnet34_params, BasicBlock)

def ResNet50():
    return ResNet(resnet50_params, Bottleneck)

def ResNet101():
    return ResNet(resnet101_params, Bottleneck)

def ResNet152():
    return ResNet(resnet152_params, Bottleneck)


if __name__=='__main__':
    # model = torchvision.models.resnet50()

    # 模型測(cè)試
    # model = ResNet18()
    # model = ResNet34()
    # model = ResNet50()
    # model = ResNet101()
    model = ResNet152()
    # print(model)

    input = torch.randn(1, 3, 224, 224)
    out = model(input)
    print(out.shape)

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