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模型容器与AlexNet构建
除了上述的模块之外，还有一个重要的概念是模型容器 (Containers)，常用的容器有 3 个，这些容器都是继承自nn.Module。
- nn.Sequetial：按照顺序包装多个网络层
- nn.ModuleList：像 python 的 list 一样包装多个网络层，可以迭代
- nn.ModuleDict：像 python 的 dict 一样包装多个网络层，通过 (key, value) 的方式为每个网络层指定名称。
nn.Sequetial
深度学习中，特征提取和分类器这两步被融合到了一个神经网络中。在卷积神经网络中，前面的卷积层以及池化层可以认为是特征提取部分，而后面的全连接层可以认为是分类器部分。比如 LeNet 就可以分为特征提取和分类器两部分，这 2 部分都可以分别使用 nn.Seuqtial 来包装。
代码如下：
class LeNetSequetial(nn.Module):
def __init__(self, classes):
super(LeNet2, self).__init__()
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 6, 5),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2),
nn.Conv2d(6, 16, 5),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2)
)
self.classifier = nn.Sequential(
nn.Linear(16*5*5, 120),
nn.ReLU(),
nn.Linear(120, 84),
nn.ReLU(),
nn.Linear(84, classes)
)
def forward(self, x):
x = self.features(x)
x = x.view(x.size()[0], -1)
x = self.classifier(x)
return x
在初始化时，nn.Sequetial会调用__init__()方法，将每一个子 module 添加到 自身的_modules属性中。这里可以看到，我们传入的参数可以是一个 list，或者一个 OrderDict。如果是一个 OrderDict，那么则使用 OrderDict 里的 key，否则使用数字作为 key。
def __init__(self, *args):
super(Sequential, self).__init__()
if len(args) == 1 and isinstance(args[0], OrderedDict):
for key, module in args[0].items():
self.add_module(key, module)
else:
for idx, module in enumerate(args):
self.add_module(str(idx), module)
网络初始化完成后有两个子 module：features和classifier。
而features中的子 module 如下，每个网络层以序号作为 key：
在进行前向传播时，会进入 LeNet 的forward()函数，首先调用第一个Sequetial容器：self.features，由于self.features也是一个 module，因此会调用__call__()函数，里面调用
result = self.forward(*input, **kwargs)，进入nn.Seuqetial的forward()函数，在这里依次调用所有的 module。上一个module的输出是下一个module的输入。
def forward(self, input):
for module in self:
input = module(input)
return input
在上面可以看到在nn.Sequetial中，里面的每个子网络层 module 是使用序号来索引的，即使用数字来作为key。
一旦网络层增多，难以查找特定的网络层，这种情况可以使用 OrderDict (有序字典)。可以与上面的代码对比一下
class LeNetSequentialOrderDict(nn.Module):
def __init__(self, classes):
super(LeNetSequentialOrderDict, self).__init__()
self.features = nn.Sequential(OrderedDict({
'conv1': nn.Conv2d(3, 6, 5),
'relu1': nn.ReLU(inplace=True),
'pool1': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
'conv2': nn.Conv2d(6, 16, 5),
'relu2': nn.ReLU(inplace=True),
'pool2': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
}))
self.classifier = nn.Sequential(OrderedDict({
'fc1': nn.Linear(16*5*5, 120),
'relu3': nn.ReLU(),
'fc2': nn.Linear(120, 84),
'relu4': nn.ReLU(inplace=True),
'fc3': nn.Linear(84, classes),
}))
...
...
...
总结
nn.Sequetial是nn.Module的容器，用于按顺序包装一组网络层，有以下两个特性。
- 顺序性：各网络层之间严格按照顺序构建，我们在构建网络时，一定要注意前后网络层之间输入和输出数据之间的形状是否匹配
- 自带
forward()函数：在nn.Sequetial的forward()函数里通过 for 循环依次读取每个网络层，执行前向传播运算。这使得我们我们构建的模型更加简洁
nn.ModuleList
nn.ModuleList是nn.Module的容器，用于包装一组网络层，以迭代的方式调用网络层，主要有以下 3 个方法：
- append()：在 ModuleList 后面添加网络层
- extend()：拼接两个 ModuleList
- insert()：在 ModuleList 的指定位置中插入网络层
下面的代码通过列表生成式来循环迭代创建 20 个全连接层，非常方便，只是在 forward()函数中需要手动调用每个网络层。
class ModuleList(nn.Module):
def __init__(self):
super(ModuleList, self).__init__()
self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10) for i in range(20)])
def forward(self, x):
for i, linear in enumerate(self.linears):
x = linear(x)
return x
net = ModuleList()
print(net)
fake_data = torch.ones((10, 10))
output = net(fake_data)
print(output)
nn.ModuleDict
nn.ModuleDict是nn.Module的容器，用于包装一组网络层，以索引的方式调用网络层，主要有以下 5 个方法：
- clear()：清空 ModuleDict
- items()：返回可迭代的键值对 (key, value)
- keys()：返回字典的所有 key
- values()：返回字典的所有 value
- pop()：返回一对键值，并从字典中删除
下面的模型创建了两个ModuleDict：self.choices和self.activations，在前向传播时通过传入对应的 key 来执行对应的网络层。
class ModuleDict(nn.Module):
def __init__(self):
super(ModuleDict, self).__init__()
self.choices = nn.ModuleDict({
'conv': nn.Conv2d(10, 10, 3),
'pool': nn.MaxPool2d(3)
})
self.activations = nn.ModuleDict({
'relu': nn.ReLU(),
'prelu': nn.PReLU()
})
def forward(self, x, choice, act):
x = self.choices[choice](x)
x = self.activations[act](x)
return x
net = ModuleDict()
fake_img = torch.randn((4, 10, 32, 32))
output = net(fake_img, 'conv', 'relu')
# output = net(fake_img, 'conv', 'prelu')
print(output)
容器总结
- nn.Sequetial：顺序性，各网络层之间严格按照顺序执行，常用于 block 构建，在前向传播时的代码调用变得简洁
- nn.ModuleList：迭代行，常用于大量重复网络构建，通过 for 循环实现重复构建
- nn.ModuleDict：索引性，常用于可选择的网络层
AlexNet实现
AlexNet 特点如下：
- 采用 ReLU 替换饱和激活函数，减轻梯度消失
- 采用 LRN (Local Response Normalization) 对数据进行局部归一化，减轻梯度消失
- 采用 Dropout 提高网络的鲁棒性，增加泛化能力
- 使用 Data Augmentation，包括 TenCrop 和一些色彩修改
AlexNet 的网络结构可以分为两部分：features 和 classifier。
可以在计算机视觉库torchvision.models中找到 AlexNet 的代码，通过看可知使用了nn.Sequential来封装网络层。
class AlexNet(nn.Module):
def __init__(self, num_classes=1000):
super(AlexNet, self).__init__()
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=5, padding=2),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
nn.Conv2d(192, 384, kernel_size=3, padding=1),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
)
self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((6, 6))
self.classifier = nn.Sequential(
nn.Dropout(),
nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.Dropout(),
nn.Linear(4096, 4096),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.Linear(4096, num_classes),
)
def forward(self, x):
x = self.features(x)
x = self.avgpool(x)
x = torch.flatten(x, 1)
x = self.classifier(x)
return x
