借助CIFAR10模型结构理解卷积神经网络及Sequential的使用

CIFAR10模型搭建

0. input : 3@32x32，3通道32x32的图片 --> 特征图(Feature maps) : 32@32x32
即经过32个3@5x5的卷积层，输出尺寸没有变化（有x个特征图即有x个卷积核。卷积核的通道数与输入的通道数相等，即3@5x5）。
两种方法推导出padding = 2、stride = 1的值：

•公式法：

𝐻𝑜𝑢𝑡=32，𝐻𝑖𝑛=32，dilation = 1(默认值，此时没有空洞)，kernel_size = 5

•理论法：为保持输出尺寸不变，padding都是卷积核大小的一半，则有padding=kernel_size/2；奇数卷积核把中心格子对准图片第一个格子，卷积核在格子外有两层那么padding=2。

1.input : 32@32x32 --> output : 32@16x16
即经过2x2的最大池化层，stride = 2（池化层的步长为池化核的尺寸），padding = 0，特征图尺寸减小一半。
2.input : 32@16x16 --> output : 32@16x16
即即经过32个3@5x5的卷积层，输出尺寸没有变化。padding = 2、stride = 1。
3.input : 32@16x16 --> output : 32@8x8
即经过2x2的最大池化层，stride = 2，padding = 0，通道数不变，特征图尺寸减小一半。
4.input : 32@8x8 --> output : 64@8x8
即即经过64个3@5x5的卷积层，输出尺寸没有变化。padding = 2、stride = 1。
5.input : 64@8x8 --> output : 64@4x4
即经过2x2的最大池化层，stride = 2，padding = 0，通道数不变，特征图尺寸减小一半。
6.input：64@4x4-->output :1×1024
即经过展平层 Flatten 作用，将64@4x4的特征图依次排开。
7.input：1×1024-->output :1×64
即经过线性层Linear1的作用。
8.input：1×64-->output：1×10
即经过线性层Linear2的作用。

代码验证：
按照网络结构一层一层搭建网络结构。
示例1：

# 导入需要用到的库
import torch
from torch import nn
from torch.nn import Conv2d, MaxPool2d, Flatten, Linear# 搭建CIFAR10模型网络
class Tudui(nn.Module):def __init__(self):super(Tudui, self).__init__()self.conv1 = Conv2d(3, 32, 5, padding=2) # 第一个卷积层self.maxpool1 = MaxPool2d(2) # 第一个最大池化层self.conv2 = Conv2d(32, 32, 5, padding=2) # 第二个卷积层self.maxpool2 = MaxPool2d(2) # 第二个最大池化层self.conv3 = Conv2d(32, 64, 5, padding=2) # 第三个卷积层self.maxpool3 = MaxPool2d(2) # 第三个最大池化层self.flatten = Flatten() # 展平层# 两个线性层self.linear1 = Linear(1024, 64) # 第一个线性层self.linear2 = Linear(64, 10) # 第二个线性层def forward(self, x):x = self.conv1(x)x = self.maxpool1(x)x = self.conv2(x)x = self.maxpool2(x)x = self.conv3(x)x = self.maxpool3(x)x = self.flatten(x)x = self.linear1(x)x = self.linear2(x)return xtudui = Tudui() # 实例化
print(tudui) # 观察网络信息
input = torch.ones((64, 3, 32, 32)) # 为网络创建假想输入，目的是检查网络是否正确
output = tudui(input) # 输出
print(output.shape) # torch.Size([64, 10])，结果与图片结果一致

运行结果：

# 两个print出的内容分别为：
Tudui((conv1): Conv2d(3, 32, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))(maxpool1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(conv2): Conv2d(32, 32, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))(maxpool2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(conv3): Conv2d(32, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))(maxpool3): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)(linear1): Linear(in_features=1024, out_features=64, bias=True)(linear2): Linear(in_features=64, out_features=10, bias=True)
)
torch.Size([64, 10])

Sequential的使用

当模型中只是简单的前馈网络时，即上一层的输出直接作为下一层的输入，这时可以采用torch.nn.Sequential()模块来快速搭建模型，而不必手动在forward()函数中一层一层地前向传播。因此，如果想快速搭建模型而不考虑中间过程的话，推荐使用torch.nn.Sequential()模块。

接下来用torch.nn.Sequential()改写示例 1，示例 2 如下。
示例2：

# 导入需要用到的库
import torch
from torch import nn
from torch.nn import Conv2d, MaxPool2d, Flatten, Linear, Sequential# 搭建CIFAR10模型网络
class Tudui(nn.Module):def __init__(self):super(Tudui, self).__init__()self.model1 = Sequential(Conv2d(3, 32, 5, padding=2),  # 第一个卷积层MaxPool2d(2),  # 第一个最大池化层Conv2d(32, 32, 5, padding=2), # 第二个卷积层MaxPool2d(2), # 第二个最大池化层Conv2d(32, 64, 5, padding=2),  # 第三个卷积层MaxPool2d(2),  # 第三个最大池化层Flatten(),  # 展平层# 两个线性层Linear(1024, 64),  # 第一个线性层Linear(64, 10)  # 第二个线性层)def forward(self, x):x = self.model1(x)return xtudui = Tudui() # 实例化
print(tudui) # 观察网络信息
input = torch.ones((64, 3, 32, 32)) # 为网络创建假想输入，目的是检查网络是否正确
output = tudui(input) # 输出
print(output.shape) # torch.Size([64, 10])，结果与图片结果一致

运行结果：

# 两个print出来的结果分别为：
Tudui((model1): Sequential((0): Conv2d(3, 32, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))(1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(2): Conv2d(32, 32, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))(3): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(4): Conv2d(32, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1), padding=(2, 2))(5): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)(6): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)(7): Linear(in_features=1024, out_features=64, bias=True)(8): Linear(in_features=64, out_features=10, bias=True))
)
torch.Size([64, 10])

我们发现，使用Sequential之后得到的结果（示例2）与按照前向传播一层一层搭建得到的结果（示例1）一致，使用Sequential之后可以使得forward函数中的内容得以简化。

使用tensorboard实现网络结构可视化

# 导入需要用到的库
import torch
from torch import nn
from torch.nn import Conv2d, MaxPool2d, Flatten, Linear
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter# 搭建CIFAR10模型网络class Tudui(nn.Module):def __init__(self):super(Tudui, self).__init__()self.conv1 = Conv2d(3, 32, 5, padding=2) # 第一个卷积层self.maxpool1 = MaxPool2d(2) # 第一个最大池化层self.conv2 = Conv2d(32, 32, 5, padding=2) # 第二个卷积层self.maxpool2 = MaxPool2d(2) # 第二个最大池化层self.conv3 = Conv2d(32, 64, 5, padding=2) # 第三个卷积层self.maxpool3 = MaxPool2d(2) # 第三个最大池化层self.flatten = Flatten() # 展平层# 两个线性层self.linear1 = Linear(1024, 64) # 第一个线性层self.linear2 = Linear(64, 10) # 第二个线性层def forward(self, x):x = self.conv1(x)x = self.maxpool1(x)x = self.conv2(x)x = self.maxpool2(x)x = self.conv3(x)x = self.maxpool3(x)x = self.flatten(x)x = self.linear1(x)x = self.linear2(x)return xtudui = Tudui() # 实例化
print(tudui) # 观察网络信息
input = torch.ones((64, 3, 32, 32)) # 为网络创建假想输入，目的是检查网络是否正确
output = tudui(input) # 输出
print(output.shape) # torch.Size([64, 10])，结果与图片结果一致# 使用tensorboard实现网络可视化
writer = SummaryWriter("./log_sequential")
writer.add_graph(tudui, input)
writer.close()

运行上述代码，则会在项目文件夹CIFAR10model中出现对应的日志文件夹log_sequential。