动手学深度学习——残差网络ResNet（原理解释+代码详解）
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残差网络ResNet
ResNet为了解决“新添加的层如何提升神经网络的性能”，它在2015年的ImageNet图像识别挑战赛夺魁
它深刻影响了后来的深度神经网络的设计，ResNet的被引用量更是达到了19万+。
1. 函数类
假设有一类特定的神经网络架构F，它包括学习速率和其他超参数设置。对于所有f∈F，存在一些参数集（例如权重和偏置），这些参数可以通过在合适的数据集上进行训练而获得。
现在假设 f* 是我们真正想要找到的函数，如果是 f*∈F，那可以轻而易举的训练得到它。
给定一个具有X特性和y标签的数据集
是我们要找的函数，为了使其更近似真正的 f* ，则需要更强的架构F’。
对于非嵌套函数类，较复杂的函数类并不总是向“真”函数 f* 靠拢（复杂度由F1向F6递增）。虽然F3比F1更接近 f*，但却离F6的更远了。
而右侧的嵌套函数可以避免上述问题。
2. 残差块
残差网络的核心思想是：每个附加层都应该更容易地包含原始函数作为其元素之一。
F(x) + x包含了原始元素。
ResNet沿用了VGG完整的3x3卷积层设计。
- 残差块里首先有2个有相同输出通道数的3x3卷积层。
- 每个卷积层后接一个批量规范化层和ReLU激活函数。
- 然后通过跨层数据通路，跳过这2个卷积运算，将输入直接加在最后的ReLU激活函数前。
import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from d2l import torch as d2l
class Residual(nn.Module): #@save
# use_ixiconv：残差连接是直接连接还是通过卷积层连接
def __init__(self, input_channels, num_channels,
use_1x1conv=False, strides=1):
super().__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(input_channels, num_channels,
kernel_size=3, padding=1, stride=strides)
self.conv2 = nn.Conv2d(num_channels, num_channels,
kernel_size=3, padding=1)
if use_1x1conv:
self.conv3 = nn.Conv2d(input_channels, num_channels,
kernel_size=3, padding=1, stride=strides)
else:
self.conv3 = None
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_channels)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_channels)
def forward(self, X):
Y = F.relu(self.bn1(self.conv1(X)))
Y = self.bn2(self.conv2(Y))
if self.conv3:
X = self.conv3(X)
Y += X
return F.relu(Y)
此代码生成两种类型的网络：
- 一种是当use_1x1conv=False时，应用ReLU非线性函数之前，将输入添加到输出。
- 另一种是当use_1x1conv=True时，添加通过1x1卷积调整通道和分辨率。
查看输入和输出形状一致的情况
# 输入、输出的情况
blk = Residual(3, 3)
X = torch.rand(4, 3, 6, 6)
Y = blk(X)
Y.shape
在增加输出通道数的同时，减半输出的高和宽
# 增加输出通道的同时，减半输出的高度和宽度
blk = Residual(3, 6, use_1x1conv=True, strides=2)
blk(X).shape
3. ResNet模型
ResNet的前两层跟之前介绍的GoogLeNet中的一样： 在输出通道数为64、步幅为2的7x7卷积层后，接步幅为2的3x3的最大汇聚层。 不同之处在于ResNet每个卷积层后增加了批量规范化层。
# ResNet在每个卷积层后增加了批量规范层
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))
ResNet使用4个由残差块组成的模块，每个模块使用若干个同样输出通道数的残差块。
第一个模块的通道数同输入通道数一致。之后的每个模块在第一个残差块里将上一个模块的通道数翻倍，并将高和宽减半。
# 实现残差连接模块：由4个残差连接块组成
def resnet_block(input_channels, num_channels, num_residuals,
first_block=False):
# 定义空网络结构
blk = []
for i in range(num_residuals):
# 第2,3,4个Inception块的第一个残差模块连接1x1卷积层
if i == 0 and not first_block:
blk.append(Residual(input_channels, num_channels,
use_1x1conv=True, strides=2))
else:
blk.append(Residual(num_channels, num_channels))
return blk
接着在ResNet加入所有残差块，这里每个模块使用2个残差块。
# 在ResNet加入所有残差块，每个模版使用2个残差块
b2 = nn.Sequential(*resnet_block(64, 64, 2, first_block=True))
b3 = nn.Sequential(*resnet_block(64, 128, 2))
b4 = nn.Sequential(*resnet_block(128, 256, 2))
b5 = nn.Sequential(*resnet_block(256, 512, 2))
最后在ResNet中加入全局平均汇聚层，以及全连接层输出。
# 在ResNet加入全局平均汇聚层以及全连接层输出
net = nn.Sequential(b1, b2, b3, b4, b5,
nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)),
nn.Flatten(), nn.Linear(512, 10))
每个模块有4个卷积层，加上第一个7x7卷积层和最后一个全连接层，共有18层，这种模型通常被称为ResNet-18。
观察一下ResNet中不同模块的输入形状是如何变化
# 每个模块有4个卷积层（不包括恒等映射的1x1卷积层）。
# 加上第一个7x7卷积层和最后一个全连接层，共有18层。
# 因此，这种模型通常被称为ResNet-18。
X = torch.rand(size=(1, 1, 224, 224))
for layer in net:
X = layer(X)
print(layer.__class__.__name__, 'output_shape:\t', X.shape)
4. 训练模型
在Fashion-MNIST数据集上训练ResNet
定义精度评估函数
"""
定义精度评估函数：
1、将数据集复制到显存中
2、通过调用accuracy计算数据集的精度
"""
def evaluate_accuracy_gpu(net, data_iter, device=None): #@save
# 判断net是否属于torch.nn.Module类
if isinstance(net, nn.Module):
net.eval()
# 如果不在参数选定的设备，将其传输到设备中
if not device:
device = next(iter(net.parameters())).device
# Accumulator是累加器，定义两个变量：正确预测的数量，总预测的数量。
metric = d2l.Accumulator(2)
with torch.no_grad():
for X, y in data_iter:
# 将X, y复制到设备中
if isinstance(X, list):
# BERT微调所需的（之后将介绍）
X = [x.to(device) for x in X]
else:
X = X.to(device)
y = y.to(device)
# 计算正确预测的数量，总预测的数量，并存储到metric中
metric.add(d2l.accuracy(net(X), y), y.numel())
return metric[0] / metric[1]
定义GPU训练函数
"""
定义GPU训练函数：
1、为了使用gpu，首先需要将每一小批量数据移动到指定的设备（例如GPU）上；
2、使用Xavier随机初始化模型参数；
3、使用交叉熵损失函数和小批量随机梯度下降。
"""
#@save
def train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, device):
"""用GPU训练模型(在第六章定义)"""
# 定义初始化参数，对线性层和卷积层生效
def init_weights(m):
if type(m) == nn.Linear or type(m) == nn.Conv2d:
nn.init.xavier_uniform_(m.weight)
net.apply(init_weights)
# 在设备device上进行训练
print('training on', device)
net.to(device)
# 优化器：随机梯度下降
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr)
# 损失函数：交叉熵损失函数
loss = nn.CrossEntropyLoss()
# Animator为绘图函数
animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs],
legend=['train loss', 'train acc', 'test acc'])
# 调用Timer函数统计时间
timer, num_batches = d2l.Timer(), len(train_iter)
for epoch in range(num_epochs):
# Accumulator(3)定义3个变量：损失值，正确预测的数量，总预测的数量
metric = d2l.Accumulator(3)
net.train()
# enumerate() 函数用于将一个可遍历的数据对象
for i, (X, y) in enumerate(train_iter):
timer.start() # 进行计时
optimizer.zero_grad() # 梯度清零
X, y = X.to(device), y.to(device) # 将特征和标签转移到device
y_hat = net(X)
l = loss(y_hat, y) # 交叉熵损失
l.backward() # 进行梯度传递返回
optimizer.step()
with torch.no_grad():
# 统计损失、预测正确数和样本数
metric.add(l * X.shape[0], d2l.accuracy(y_hat, y), X.shape[0])
timer.stop() # 计时结束
train_l = metric[0] / metric[2] # 计算损失
train_acc = metric[1] / metric[2] # 计算精度
# 进行绘图
if (i + 1) % (num_batches // 5) == 0 or i == num_batches - 1:
animator.add(epoch + (i + 1) / num_batches,
(train_l, train_acc, None))
# 测试精度
test_acc = evaluate_accuracy_gpu(net, test_iter)
animator.add(epoch + 1, (None, None, test_acc))
# 输出损失值、训练精度、测试精度
print(f'loss {train_l:.3f}, train acc {train_acc:.3f},'
f'test acc {test_acc:.3f}')
# 设备的计算能力
print(f'{metric[2] * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec'
f'on {str(device)}')
训练模型
# 训练模型
lr, num_epochs, batch_size = 0.05, 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())
旨在为数千万中国开发者提供一个无缝且高效的云端环境，以支持学习、使用和贡献开源项目。
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