经典卷积神经网络 - NIN

网络中的网络，NIN。

AlexNet和VGG都是先由卷积层构成的模块充分抽取空间特征，再由全连接层构成的模块来输出分类结果。但是其中的全连接层的参数量过于巨大，因此NiN提出用1*1卷积代替全连接层，串联多个由卷积层和“全连接”层构成的小网络来构建⼀个深层网络。

AlexNet和VGG对LeNet的改进主要在于如何扩大和加深这两个模块。
或者，可以想象在这个过程的早期使用全连接层。然而，如果使用了全连接层，可能会完全放弃表征的空间结构。

网络中的网络（NiN）提供了一个非常简单的解决方案：在每个像素的通道上分别使用多层感知机。也就是使用了多个1*1的卷积核。同时他认为全连接层占据了大量的内存，所以整个网络结构中没有使用全连接层。

NIN块

一个卷积层后跟两个全连接层。

• 步幅为1，无填充，输出形状跟卷积层输出一样。
• 起到全连接层的作用。

NIN网络结构

• 无全连接层

• 交替使用NIN块和步幅为2的最大池化层

  逐步减小高宽和增大通道数

• 最后使用全局平均池化层得到输出

  其输入通道数是类别数

此网络结构总计4层： 3mlpconv + 1global_average_pooling

优点：

1. 提供了网络层间映射的一种新可能；
2. 增加了网络卷积层的非线性能力。

总结：

• NIN块使用卷积层加上个$1\times 1$卷积，后者对每个像素增加了非线性性
• NIN使用全局平均池化层来替代VGG和AlexNet中的全连接层，不容易过拟合，更少的参数个数

代码实现

使用CIFAR-10数据集。

maxpooling不改变通道数，只改变长和宽

model.py

import torch
from torch import nn# nin块
def nin_block(in_channels,out_channels,kernel_size,strides,padding):return nn.Sequential(nn.Conv2d(in_channels,out_channels,kernel_size,strides,padding),nn.ReLU(),nn.Conv2d(out_channels,out_channels,kernel_size=1),nn.ReLU(),nn.Conv2d(out_channels,out_channels,kernel_size=1),nn.ReLU(),)# 构建网络
class NIN(nn.Module):def __init__(self, *args, **kwargs) -> None:super().__init__(*args, **kwargs)self.model = nn.Sequential(nin_block(3,96,kernel_size=11,strides=4,padding=0),nn.MaxPool2d(3,stride=2),nin_block(96,256,kernel_size=5,strides=1,padding=2),nn.MaxPool2d(3,stride=2),nin_block(256,384,kernel_size=3,strides=1,padding=1),nn.MaxPool2d(3,stride=2),nn.Dropout(0.5),nin_block(384,10,kernel_size=3,strides=1,padding=1),nn.AdaptiveAvgPool2d((1,1)),nn.Flatten())def forward(self,x):return self.model(x)# 验证模型正确性
if __name__ == '__main__':nin = NIN()x = torch.ones((64,3,244,244))output = nin(x)print(output)

train.py

import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import transforms
from model import NIN# 扫描数据次数
epochs = 3
# 分组大小
batch = 64
# 学习率
learning_rate = 0.01
# 训练次数
train_step = 0
# 测试次数
test_step = 0# 定义图像转换
transform = transforms.Compose([transforms.Resize(224),transforms.ToTensor()
])
# 读取数据
train_dataset = datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=True,transform=transform,download=True)
test_dataset = datasets.CIFAR10(root="./dataset",train=False,transform=transform,download=True)
# 加载数据
train_dataloader = DataLoader(train_dataset,batch_size=batch,shuffle=True,num_workers=0)
test_dataloader = DataLoader(test_dataset,batch_size=batch,shuffle=True,num_workers=0)
# 数据大小
train_size = len(train_dataset)
test_size = len(test_dataset)
print("训练集大小：{}".format(train_size))
print("验证集大小：{}".format(test_size))# GPU
device = torch.device("mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cpu")
print(device)
# 创建网络
net = NIN()
net = net.to(device)
# 定义损失函数
loss = nn.CrossEntropyLoss()
loss = loss.to(device)
# 定义优化器
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(),lr=learning_rate)writer = SummaryWriter("logs")
# 训练
for epoch in range(epochs):print("-------------------第 {} 轮训练开始-------------------".format(epoch))net.train()for data in train_dataloader:train_step = train_step + 1images,targets = dataimages = images.to(device)targets = targets.to(device)outputs = net(images)loss_out = loss(outputs,targets)optimizer.zero_grad()loss_out.backward()optimizer.step()if train_step%100==0:writer.add_scalar("Train Loss",scalar_value=loss_out.item(),global_step=train_step)print("训练次数：{}，Loss：{}".format(train_step,loss_out.item()))# 测试net.eval()total_loss = 0total_accuracy = 0with torch.no_grad():for data in test_dataloader:test_step = test_step + 1images, targets = dataimages = images.to(device)targets = targets.to(device)outputs = net(images)loss_out = loss(outputs, targets)total_loss = total_loss + loss_outaccuracy = (targets == torch.argmax(outputs,dim=1)).sum()total_accuracy = total_accuracy + accuracy# 计算精确率print(total_accuracy)accuracy_rate = total_accuracy / test_sizeprint("第 {} 轮，验证集总损失为：{}".format(epoch+1,total_loss))print("第 {} 轮，精确率为：{}".format(epoch+1,accuracy_rate))writer.add_scalar("Test Total Loss",scalar_value=total_loss,global_step=epoch+1)writer.add_scalar("Accuracy Rate",scalar_value=accuracy_rate,global_step=epoch+1)torch.save(net,"./model/net_{}.pth".format(epoch+1))print("模型net_{}.pth已保存".format(epoch+1))