pytorch怎么实现ResNet结构？实例代码介绍

爱啸的女孩超爱看你笑 2021-08-07 10:55:34 浏览数 (3432)
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resnet结构是一种可以到达比较深的层数的网络，在机器学习中有着很多应用。作为机器学习最常用的语言，python实现resnet结构的介绍还是比较多的，今天小编就整理了一篇python实现resnet结构的文章，希望给小伙伴们带来帮助。

1.ResNet的创新

现在重新稍微系统的介绍一下ResNet网络结构。 ResNet结构首先通过一个卷积层然后有一个池化层，然后通过一系列的残差结构，最后再通过一个平均池化下采样操作，以及一个全连接层的得到了一个输出。ResNet网络可以达到很深的层数的原因就是不断的堆叠残差结构而来的。

1）亮点

网络中的亮点 ：

  • 超深的网络结构( 突破1000 层)
  • 提出residual 模块
  • 使用Batch Normalization 加速训练( 丢弃dropout)

但是，一般来说，并不是一直的加深神经网络的结构就会得到一个更好的结果，一般太深的网络会出现过拟合的现象严重，可能还没有一些浅层网络要好。

深层网络和浅层网络对比

2）原因

其中有两个原因：

  • 梯度消失或梯度爆炸

当层数过多的时候，假设每一层的误差梯度都是一个小于1的数值，当进行方向传播的过程中，每向前传播一层，都要乘以一个小于1的误差梯度，当网络越来越深时，所成的小于1的系数也就越来越多，此时梯度便越趋近于0，这样梯度便会越来越小。这便会造成梯度消失的现象。

而当所成的误差梯度是一个大于1的系数，而随着网络层数的加深，梯度便会越来越大，这便会造成梯度爆炸的现象。

  • 退化问题(degradation problem)

当解决了梯度消失或者梯度爆炸的问题之后，其实网络的效果可能还是不尽如意，还可能有退化问题。为此，ResNet提出了残差结构来解决这个退化问题。 也正是因为有这个残差的结构，所以才可以搭建这么深的网络。

错误率对比

2.ResNet的结构

残差结构如图所示

残差结构


作图是针对ResNet-18/34层浅层网络的结构，右图是ResNet-50/101/152层深层网络的结构，其中注意：主分支与shortcut 的输出特征矩阵shape。

一下表格为网络的一些主要参数

网格主要参数

可以看见，不同层数的网络结构其实框架是类似的，不同的至少堆叠的残差结构的数量。

1）浅层的残差结构

浅层残差结构

需要注意，有些残差结构的ShortCut是实线，而有的是虚线，这两者是不同的。对于左图来说，ShortCut是实线，这表明输入与输出的shape是一样的，所以可以直接的进行相加。而对于右图来说，其输入的shape与输出的shape是不一样的，这时候需要调整步长stribe与kernel size来使得两条路（主分支与捷径分支）所处理好的shape是一模一样的。

2）深层的残差结构

深层残差结构

同样的，需要注意，主分支与shortcut 的输出特征矩阵shape必须相同，同样的通过步长来调整。

但是注意原论文中：

右侧虚线残差结构的主分支上、第一个1x1卷积层的步距是2，第二个3x3卷积层的步距是1.

而在pytorch官方实现的过程中是第一个1x1卷积层的步距是1，第二个3x3卷积层步距是2，这样能够在ImageNet的top1上提升大概0.5%的准确率。

所以在conv3_x,conv4_x,conv5_x中所对应的残差结构的第一层，都是指虚线的残差结构，其他的残差结构是实线的残差结构。

3）总结

对于每个大模块中的第一个残差结构，需要通过虚线分支来调整残差结构的输入与输出是同一个shape。此时使用了下采样的操作函数。
对于每个大模块中的其他剩余的残差结构，只需要通过实线分支来调整残差网络结构，因为其输出和输入本身就是同一个shape的。

对于第一个大模块的第一个残差结构，其第二个3x3的卷积中，步长是1的，而其他的三个大模块的步长均为2.
在每一个大模块的维度变换中，主要是第一个残差结构使得shape减半，而模块中其他的残差结构都是没有改变shape的。也真因为没有改变shape，所以这些残差结构才可以直接的通过实线进行相加。

3.Batch Normalization

Batch Normalization的目的是使我们的一批（Batch）特征矩阵feature map满足均值为0，方差为1的分布规律。

算法

其中：
μ，σ_2在正向传播过程中统计得到
γ，β在反向传播过程中训练得到

Batch Normalization是google团队在2015年论文《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift》提出的。通过该方法能够加速网络的收敛并提升准确率。

具体的相关原理见：Batch Normalization详解以及pytorch实验

4.参考代码

import torch
import torch.nn as nn

# 分类数目
num_class = 5
# 各层数目
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]


# 定义Conv1层
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)
    )


# 浅层的残差结构
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])
        # 每个大模块的第一个残差结构需要改变步长
        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):
        # 实线分支
        residual = x
        out = self.basicblock(x)

        # 虚线分支
        if self.downsampling:
            residual = self.downsample(x)

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


# 深层的残差结构
class Bottleneck(nn.Module):

    # 注意:默认 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):
        # 实线分支
        residual = x
        out = self.bottleneck(x)

        # 虚线分支
        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)

        # 对应浅层网络结构
        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)

        # 对应深层网络结构
        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)

        # 初始化网络结构
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                # 采用了何凯明的初始化方法
                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不变
        # torch.Size([1, 256, 56, 56]) -> torch.Size([1, 512, 28, 28])， stride=2 故w，h变
        # torch.Size([1, 512, 28, 28]) -> torch.Size([1, 1024, 14, 14])，stride=2 故w，h变
        # torch.Size([1, 1024, 14, 14]) -> torch.Size([1, 2048, 7, 7])， stride=2 故w，h变
        # 此步需要通过虚线分支，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)
        # 此步需要通过实线分支，downsampling=False， 每个大模块的第一个残差结构需要改变步长
        for i in range(1, block):
            layers.append(self.blockkinds(places*self.expansion, places))

        return nn.Sequential(*layers)


    def forward(self, x):

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

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

    # 模型测试
    # 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)

以上就是pytorch实现ResNet结构的详细内容，更多机器学习的资料请关注W3Cschool其它相关文章！



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