[人工智能]深度学习系列笔记06现代卷积神经网络

上一章我们介绍了卷积神经网络的基本原理，本章我们将带你了解现代的卷积神经网络结构，许多现代卷积神经网络的研究都是建立在这一章的基础上的。

虽然深度神经网络的概念非常简单——将神经网络堆叠在一起。但由于不同的网络结构和超参数选择，这些神经网络的性能会发生很大变化。

1 深度卷积神经网络 AlexNet

1.1 模型设计

AlexNet和LeNet的设计理念非常相似，但也存在显著差异。 首先，AlexNet比相对较小的LeNet5要深得多。 AlexNet由八层组成：五个卷积层、两个全连接隐藏层和一个全连接输出层。 其次，AlexNet使用ReLU而不是sigmoid作为其激活函数。

1.2 容量控制和预处理

AlexNet通过dropout控制全连接层的模型复杂度，而LeNet只使用了权重衰减。 为了进一步扩充数据，AlexNet在训练时增加了大量的图像增强数据，如翻转、裁切和变色。 这使得模型更健壮，更大的样本量有效地减少了过拟合。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

net = nn.Sequential(
    # 这里，我们使用一个11*11的更大窗口来捕捉对象。
    # 同时，步幅为4，以减少输出的高度和宽度。
    # 另外，输出通道的数目远大于LeNet
    nn.Conv2d(1, 96, kernel_size=11, stride=4, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    # 减小卷积窗口，使用填充为2来使得输入与输出的高和宽一致，且增大输出通道数
    nn.Conv2d(96, 256, kernel_size=5, padding=2), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    # 使用三个连续的卷积层和较小的卷积窗口。
    # 除了最后的卷积层，输出通道的数量进一步增加。
    # 在前两个卷积层之后，汇聚层不用于减少输入的高度和宽度
    nn.Conv2d(256, 384, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.Conv2d(384, 384, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    nn.Flatten(),
    # 这里，全连接层的输出数量是LeNet中的好几倍。使用dropout层来减轻过度拟合
    nn.Linear(6400, 4096), nn.ReLU(),
    nn.Dropout(p=0.5),
    nn.Linear(4096, 4096), nn.ReLU(),
    nn.Dropout(p=0.5),
    # 最后是输出层。由于这里使用Fashion-MNIST，所以用类别数为10，而非论文中的1000
    nn.Linear(4096, 10))

我们构造一个高度和宽度都为224的单通道数据，来观察每一层输出的形状。

X = torch.randn(1, 1, 224, 224)
for layer in net:
    X=layer(X)
    print(layer.__class__.__name__, 'Output shape:\t', X.shape)
################
Conv2d Output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
MaxPool2d Output shape:	 torch.Size([1, 96, 26, 26])
Conv2d Output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
MaxPool2d Output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
Conv2d Output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
Conv2d Output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
Conv2d Output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
MaxPool2d Output shape:	 torch.Size([1, 256, 5, 5])
Flatten Output shape:	 torch.Size([1, 6400])
Linear Output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout Output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear Output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU Output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear Output shape:	 torch.Size([1, 10])

1.3 读取数据集

尽管本文中AlexNet是在ImageNet上进行训练的，但我们在这里使用的是Fashion-MNIST数据集。因为即使在现代GPU上，训练ImageNet模型，同时使其收敛可能需要数小时或数天的时间。 将AlexNet直接应用于Fashion-MNIST的一个问题是，Fashion-MNIST图像的分辨率（ 28×28 像素）低于ImageNet图像。 为了解决这个问题，我们将它们增加到 224×224 （通常来讲这不是一个明智的做法，但我们在这里这样做是为了有效使用AlexNet结构）。 我们使用 d2l.load_data_fashion_mnist 函数中的 resize 参数执行此调整。

batch_size = 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)

1.4 训练AlexNet

lr, num_epochs = 0.01, 10
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
plt.show()

1.5 小结

• AlexNet的结构与LeNet相似，但使用了更多的卷积层和更多的参数来拟合大规模的ImageNet数据集。
• 今天，AlexNet已经被更有效的结构所超越，但它是从浅层网络到深层网络的关键一步。
• 尽管AlexNet的代码只比LeNet多出几行，但学术界花了很多年才接受深度学习这一概念，并应用其出色的实验结果。这也是由于缺乏有效的计算工具。
• Dropout、ReLU和预处理是提升计算机视觉任务性能的其他关键步骤。

2 使用块的网络 VGG

虽然 AlexNet 证明深层神经网络卓有成效，但它没有提供一个通用的模板来指导后续的研究人员设计新的网络。 在下面，我们将介绍一些常用于设计深层神经网络的启发式概念。

2.1. VGG块

经典卷积神经网络的基本组成部分是下面的这个序列：
① 带填充以保持分辨率的卷积层；
② 非线性激活函数，如ReLU；
③ 汇聚层，如最大汇聚层。

而一个 VGG 块与之类似，由一系列卷积层组成，后面再加上用于空间下采样的最大汇聚层。

在最初的 VGG 论文 [Simonyan & Zisserman, 2014] 中，作者使用了带有 3×3 卷积核、填充为 1（保持高度和宽度）的卷积层，和带有 2×2 池化窗口、步幅为 2（每个块后的分辨率减半）的最大汇聚层。

在下面的代码中，我们定义了一个名为 vgg_block 的函数来实现一个 VGG 块。该函数有三个参数，分别对应于卷积层的数量 num_convs、输入通道的数量 in_channels 和输出通道的数量 out_channels.

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

def vgg_block(num_convs, in_channels, out_channels):
    layers = []
    for _ in range(num_convs):
        layers.append(nn.Conv2d(in_channels, out_channels,
                                kernel_size=3, padding=1))
        layers.append(nn.ReLU())
        in_channels = out_channels
    layers.append(nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2))
    return nn.Sequential(*layers)

2.2. VGG网络

与 AlexNet、LeNet 一样，VGG 网络可以分为两部分：第一部分主要由卷积层和汇聚层组成，第二部分由全连接层组成。

VGG神经网络连续连接的几个 VGG 块（在 vgg_block 函数中定义）。其中有超参数变量 conv_arch 。**该变量指定了每个VGG块里卷积层个数和输出通道数。**全连接模块则与AlexNet中的相同。

conv_arch = ((1, 64), (1, 128), (2, 256), (2, 512), (2, 512))

原始 VGG 网络有 5 个卷积块，其中前两个块各有一个卷积层，后三个块各包含两个卷积层。 第一个模块有 64 个输出通道，每个后续模块将输出通道数量翻倍，直到该数字达到 512。由于该网络使用 8 个卷积层和 3 个全连接层，因此它通常被称为 VGG-11。

可以通过在 conv_arch 上执行 for 循环来简单实现 VGG-11。

def vgg(conv_arch):
    conv_blks = []
    in_channels = 1
    # 卷积层部分
    for (num_convs, out_channels) in conv_arch:
        conv_blks.append(vgg_block(num_convs, in_channels, out_channels))
        in_channels = out_channels

    return nn.Sequential(
        *conv_blks, nn.Flatten(),
        # 全连接层部分
        nn.Linear(out_channels * 7 * 7, 4096), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),
        nn.Linear(4096, 4096), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),
        nn.Linear(4096, 10)
    )
net = vgg(conv_arch)

接下来，我们将构建一个高度和宽度为 224 的单通道数据样本，以观察每个层输出的形状。

X = torch.randn(size=(1, 1, 224, 224))
for blk in net:
    X = blk(X)
    print(blk.__class__.__name__,'output shape:\t',X.shape)
###########
Sequential output shape:     torch.Size([1, 64, 112, 112])
Sequential output shape:     torch.Size([1, 128, 56, 56])
Sequential output shape:     torch.Size([1, 256, 28, 28])
Sequential output shape:     torch.Size([1, 512, 14, 14])
Sequential output shape:     torch.Size([1, 512, 7, 7])
# 高宽减半，输出通道多一倍
Flatten output shape:        torch.Size([1, 25088])
Linear output shape:         torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:   torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:        torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:         torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:   torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:        torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:         torch.Size([1, 10])

2.3. 训练模型

由于VGG-11比AlexNet计算量更大，因此我们构建了一个通道数较少的网络，足够用于训练Fashion-MNIST数据集。

ratio = 4
small_conv_arch = [(pair[0], pair[1] // ratio) for pair in conv_arch]
net = vgg(small_conv_arch)

lr, num_epochs, batch_size = 0.05, 10, 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

plt.show()

可能会出现如下报错：

RuntimeError: CUDA out of memory. Tried to allocate 98.00 MiB (GPU 0; 4.00 GiB total capacity; 
2.57 GiB already allocated; 0 bytes free; 2.67 GiB reserved in total by PyTorch)
(malloc at ..\c10\cuda\CUDACachingAllocator.cpp:289) (no backtrace available)

措施：减小batch_size。batch_size = 64、32、16等。

2.4 小结

• VGG 使用可重复使用的卷积块 来构建深度卷积网络
• 不同的卷积块个数和超参数可以得到不同复杂度的变种

3 网络中的网路 NiN Net in network

LeNet、AlexNet 和 VGG 都有一个共同的设计模式：通过一系列的卷积层与汇聚层来提取空间结构特征；然后通过全连接层对特征的表征进行处理。
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，如果使用稠密层了，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。

Convolutional layers/Pooling layers/Dense Layer 卷积层/池化层/稠密层

3.1 NiN块

回想一下，卷积层的输入和输出由四维张量组成，张量的每个轴分别对应样本、通道、高度和宽度。 另外，全连接层的输入和输出通常是分别对应于样本和特征的二维张量。

到这里，我们思考一下，卷积层如何完成全连接层做的工作呢？
1×1 卷积层
我们可以将 1×1 卷积层看作是在每个像素位置应用的全连接层，以 c_i 个输入值转换为 c_o 个输出值。把输入当作全连接层的输入，任取一组的核函数作为权重，进行相乘求和，得到输出。（和全连接层一模一样）。从另一个角度看，即将空间维度中的每个像素视为单个样本，将通道维度视为不同特征（feature）。

NiN 块以一个普通卷积层开始，后面是两个 1×1 的卷积层。这两个 1×1 卷积层充当带有 ReLU 激活函数的逐像素全连接层。 第一层的卷积窗口形状通常由用户设置。 随后的卷积窗口形状固定为 1×1 。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

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()
    )

3.2 NiN模型

NiN使用窗口形状为 11×11 、 5×5 和 3×3 的卷积层，输出通道数量与 AlexNet 中的相同。 每个 NiN 块后有一个最大汇聚层，池化窗口形状为 3×3 ，步幅为 2。

NiN 和 AlexNet 之间的一个显著区别是 NiN 完全取消了全连接层。 相反，NiN 使用一个 NiN块，其输出通道数等于标签类别的数量。最后放一个 全局平均汇聚层（global average pooling layer），生成一个多元逻辑向量（logits）。NiN 设计的一个优点是，它显著减少了模型所需参数的数量。然而，在实践中，这种设计有时会增加训练模型的时间。

net = nn.Sequential(
    nin_block(1, 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),
    # 标签类别数是10
    nin_block(384, 10, kernel_size=3, strides=1, padding=1),
    nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)),
    # 将四维的输出转成二维的输出，其形状为(批量大小, 10)
    nn.Flatten())

X = torch.rand(size=(1, 1, 224, 224))
for layer in net:
    X = layer(X)
    print(layer.__class__.__name__,'output shape:\t', X.shape)
##############
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 96, 26, 26])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 384, 5, 5])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 384, 5, 5])
Sequential output shape:	 torch.Size([1, 10, 5, 5])
AdaptiveAvgPool2d output shape:	 torch.Size([1, 10, 1, 1])
Flatten output shape:	 torch.Size([1, 10])

3.3 训练模型

和以前一样，我们使用 Fashion-MNIST 来训练模型。训练 NiN 与训练 AlexNet、VGG时相似。

lr, num_epochs, batch_size = 0.1, 10, 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

plt.show()

3.4 小结

• NiN块使用卷积层加两个1x1卷积层，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，拥有更少的参数个数

4 含并行连结的网络 GoogLeNet

GoogLeNet吸收了NiN中串联网络的思想，并在此基础上做了改进。 论文的一个重点是解决了什么样大小的卷积核最合适的问题。 毕竟，以前流行的网络使用小到 1×1 ，大到 11×11 的卷积核。 本文的一个观点是，有时使用不同大小的卷积核组合是有利的。

4.1 Inception块

在GoogLeNet中，基本的卷积块被称为Inception块（Inception block）。

Python中的*args和**kwargs

import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from d2l import torch as d2l

class Inception(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, c1, c2, c3, c4, **kwargs):
        super(Inception, self).__init__(**kwargs)
        self.p1_1 = nn.Conv2d(in_channels, c1, kernel_size=1)

        self.p2_1 = nn.Conv2d(in_channels, c2[0], kernel_size=1)
        self.p2_2 = nn.Conv2d(c2[0], c2[1], kernel_size=3, padding=1)

        self.p3_1 = nn.Conv2d(in_channels, c3[0], kernel_size=1)
        self.p3_2 = nn.Conv2d(c3[0], c3[1], kernel_size=5, padding=2)

        self.p4_1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        self.p4_2 = nn.Conv2d(in_channels, c4, kernel_size=1)

    def  forward(self, x):
        p1 = F.relu(self.p1_1(x))
        p2 = F.relu(self.p2_2(F.relu(self.p2_1(x))))
        p3 = F.relu(self.p3_2(F.relu(self.p3_1(x))))
        p4 = F.relu(self.p4_2(self.p4_1(x)))
        return torch.cat((p1, p2, p3, p4), dim=1)

那么为什么GoogLeNet这个网络如此有效呢？ 首先我们考虑一下滤波器（filter）的组合，它们可以用各种滤波器尺寸探索图像，这意味着不同大小的滤波器可以有效地识别不同范围的图像细节。 同时，我们可以为不同的滤波器分配不同数量的参数。

4.2 GoogLeNet模型

GoogLeNet 一共使用 9 个Inception块和全局平均汇聚层的堆叠来生成其估计值。Inception块之间的最大汇聚层可降低维度。 第一个模块类似于 AlexNet 和 LeNet，Inception块的栈从VGG继承，全局平均汇聚层避免了在最后使用全连接层。

现在，我们逐一实现GoogLeNet的每个模块。

第一个模块使用 64 个通道、 7×7 卷积层。

b1 = nn.Sequential(nn.Conv2d(1, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3),
                   nn.ReLU(),
                   nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1))

二个模块使用两个卷积层：
第一个卷积层是 64个通道、 1×1 卷积层；
第二个卷积层使用将通道数量增加三倍的 3×3 卷积层。 这对应于 Inception 块中的第二条路径。

b2 = nn.Sequential(nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=1),
                   nn.ReLU(),
                   nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=3, padding=1),
                   nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1))

第三个模块串联两个完整的Inception块。
第一个 Inception 块的输出通道数为 64+128+32+32=256 ，四个路径之间的输出通道数量比为 64:128:32:32=2:4:1:1 。 第二个和第三个路径首先将输入通道的数量分别减少到 96/192=1/2 和 16/192=1/12 ，然后连接第二个卷积层。
第二个 Inception 块的输出通道数增加到 128+192+96+64=480 (下一个块的输入)，四个路径之间的输出通道数量比为 128:192:96:64=4:6:3:2 。 第二条和第三条路径首先将输入通道的数量分别减少到 128/256=1/2 和 32/256=1/8 。

b3 = nn.Sequential(Inception(192, 64, (96, 128), (16, 32), 32),
                   Inception(256, 128, (128, 192), (32, 96), 64),
                   nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1))

第四模块更加复杂， 它串联了5个Inception块，其输出通道数分别是 192+208+48+64=512 、 160+224+64+64=512 、 128+256+64+64=512 、 112+288+64+64=528 和 256+320+128+128=832 (下一个块的输入)。 这些路径的通道数分配和第三模块中的类似，首先是含 3×3 卷积层的第二条路径输出最多通道，其次是仅含 1×1 卷积层的第一条路径，之后是含 5×5 卷积层的第三条路径和含 3×3 最大汇聚层的第四条路径。 其中第二、第三条路径都会先按比例减小通道数。 这些比例在各个 Inception 块中都略有不同。

b4 = nn.Sequential(Inception(480, 192, (96, 208), (16, 48), 64),
                   Inception(512, 160, (112, 224), (24, 64), 64),
                   Inception(512, 128, (128, 256), (24, 64), 64),
                   Inception(512, 112, (144, 288), (32, 64), 64),
                   Inception(528, 256, (160, 320), (32, 128), 128),
                   nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1))

第五模块包含输出通道数为 256+320+128+128=832 和 384+384+128+128=1024 的两个Inception块。 其中每条路径通道数的分配思路和第三、第四模块中的一致，只是在具体数值上有所不同。 需要注意的是，第五模块的后面紧跟输出层，该模块同 NiN 一样使用全局平均汇聚层，将每个通道的高和宽变成1。 最后我们将输出变成二维数组，再接上一个输出个数为标签类别数的全连接层。

b5 = nn.Sequential(Inception(832, 256, (160, 320), (32, 128), 128),
                   Inception(832, 384, (192, 384), (48, 128), 128),
                   nn.AdaptiveAvgPool2d((1,1)),
                   nn.Flatten())

net = nn.Sequential(b1, b2, b3, b4, b5, nn.Linear(1024, 10))

4.3 训练模型

和以前一样，我们使用 Fashion-MNIST 数据集来训练我们的模型。在训练之前，我们将图片转换为 96×96 分辨率。

lr, num_epochs, batch_size = 0.1, 10, 128
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())

plt.show()

loss 0.281, train acc 0.892, test acc 0.890
733.0 examples/sec on cuda:0

4.4 小结

• Inception块用4条有不同超参数的卷积层和池化层的路来抽取不同的信息，并使用 1×1 卷积层减少每像素级别上的通道维数从而降低模型复杂度。
• GoogLeNet将多个设计精细的Inception块与其他层（卷积层、全连接层）串联起来。其中Inception块的通道数分配之比是在 ImageNet 数据集上通过大量的实验得来的。

5 批量归一化 batch normalization

训练深层神经网络是十分困难的，特别是在较短的时间内使他们收敛更加棘手。 批量归一化（batch normalization）可持续加速深层网络的收敛速度。 再结合在即将介绍的残差块，批量归一化使得研究人员能够训练 100 层以上的网络。

5.1 训练深层网络

批量归一化应用于单个可选层（也可以应用到所有层），其原理如下：在每次训练迭代中，我们首先归一化输入，即通过减去其均值并除以其标准差，其中两者均基于当前小批量处理。 接下来，我们应用比例系数和比例偏移。 正是由于这个基于批量统计的标准化，才有了批量归一化的名称。

请注意，如果我们尝试使用大小为 1 的小批量应用批量归一化，我们将无法学到任何东西。 这是因为在减去均值之后，每个隐藏单元将为 0。 所以，只有使用足够大的小批量，批量归一化这种方法才是有效且稳定的。 请注意，在应用批量归一化时，批量大小的选择可能比没有批量归一化时更重要。

5.2 批量归一化层

批量归一化在完整的小批次上运行，因此我们不能像以前在引入其他图层时那样忽略批处理的尺寸大小。 我们在下面讨论这两种情况：全连接层和卷积层。

5.2.1 全连接层

将批量归一化层置于全连接层中的仿射变换和激活函数之间。 设全连接层的输入为 u ，权重参数和偏置参数分别为 W 和 b ，激活函数为 ? ，批量归一化的运算符为 BN 。

5.2.2 卷积层

对于卷积层，可以在卷积层之后和非线性激活函数之前应用批量归一化。当卷积有多个输出通道时，我们需要对这些通道的“每个”输出执行批量归一化，每个通道都有自己的拉伸（scale）和偏移（shift）参数。

5.2.3 预测过程中的批量归一化

批量归一化在训练模式和预测模式下的行为通常不同。 首先，将训练好的模型用于预测时，我们不再需要样本均值中的噪声以及在微批次上估计每个小批次产生的样本方差。 其次，例如，我们可能需要使用我们的模型对逐个样本进行预测。 一种常用的方法是通过移动平均估算整个训练数据集的样本均值和方差，并在预测时使用它们得到确定的输出。 可见，和 dropout 一样，批量归一化层在训练模式和预测模式下的计算结果也是不一样的。

5.3 小结

• 批量归一化固定小批量中的均值和方差，然后学习出适合的偏移和缩放
• 可以加速收敛速度，但一般不改变模型精度

5.4 从零实现

下面这个函数实现了批量归一化的具体函数步骤，还没有涉及到层的设计。

def batch_norm(X, gamma, beta, moving_mean, moving_var, eps, momentum):
    # 通过 `is_grad_enabled` 来判断当前模式是训练模式还是预测模式
    if not torch.is_grad_enabled():
        # 如果是在预测模式下，直接使用传入的移动平均所得的均值和方差
        # moving_mean、moving_var是全局均值和方差
        X_hat = (X - moving_mean) / torch.sqrt(moving_var + eps)
    else:
        assert len(X.shape) in (2, 4)
        if len(X.shape) == 2:  # 如果是二维，第一维是批量大小(样本数)，第二维是特征
            # 使用全连接层的情况，计算特征维上的均值和方差
            mean = X.mean(dim=0)  # 对每一列求均值，即每个特征求均值
            var = ((X - mean) ** 2).mean(dim=0)
        else:  # 如果是4维，第一维是批量大小(样本数)，第三四维是宽和高
            # 使用二维卷积层的情况，计算通道维上（axis=1）的均值和方差。
            # 这里我们需要保持X的形状以便后面可以做广播运算
            mean = X.mean(dim=(0, 2, 3), keepdim=True)
            var = ((X - mean) ** 2).mean(dim=(0, 2, 3), keepdim=True)
        # 训练模式下，用当前的均值和方差做标准化
        X_hat = (X - mean) / torch.sqrt(var + eps)
        # 更新移动平均的均值和方差
        moving_mean = momentum * moving_mean + (1.0 - momentum) * mean
        moving_var = momentum * moving_var + (1.0 - momentum) * var
    Y = gamma * X_hat + beta  # 缩放和移位
    return Y, moving_mean.data, moving_var.data

现在可以创建一个正确的 BatchNorm 层。 这个层将保持适当的参数：拉伸 gamma 和偏移 beta, 这两个参数将在训练过程中更新。 此外，我们的图层将保存均值和方差的移动平均值，以便在模型预测期间随后使用。

注意我们实现图层的基础设计模式。 通常情况下，我们用一个单独的函数定义其数学原理，比如说 batch_norm。 然后，我们将此功能集成到一个自定义层中，

class BatchNorm(nn.Module):
    # `num_features`：完全连接层的输出数量或卷积层的输出通道数。
    # `num_dims`：2表示完全连接层，4表示卷积层
    def __init__(self, num_features, num_dims):
        super().__init__()
        if num_dims == 2:
            shape = (1, num_features)
        else:
            shape = (1, num_features, 1, 1)
        # 参与求梯度和迭代的拉伸和偏移参数，分别初始化成1和0
        self.gamma = nn.Parameter(torch.ones(shape))
        self.beta = nn.Parameter(torch.zeros(shape))
        # 非模型参数的变量初始化为0和1
        self.moving_mean = torch.zeros(shape)
        self.moving_var = torch.ones(shape)

    def forward(self, X):
        # 如果 `X` 不在内存上，将 `moving_mean` 和 `moving_var`
        # 复制到 `X` 所在显存上
        if self.moving_mean.device != X.device:
            self.moving_mean = self.moving_mean.to(X.device)
            self.moving_var = self.moving_var.to(X.device)
        # 保存更新过的 `moving_mean` 和 `moving_var`
        Y, self.moving_mean, self.moving_var = batch_norm(
            X, self.gamma, self.beta, self.moving_mean,
            self.moving_var, eps=1e-5, momentum=0.9)
        return Y

5.5 使用批量归一化层的 LeNet

为了更好理解如何应用BatchNorm，下面我们将其应用于LeNet模型。回想一下：批量归一化是在卷积层或全连接层之后、相应的激活函数之前应用的。

net = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5), BatchNorm(6, num_dims=4), nn.Sigmoid(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
    nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5), BatchNorm(16, num_dims=4), nn.Sigmoid(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2), 
    nn.Flatten(),
    nn.Linear(16*4*4, 120), BatchNorm(120, num_dims=2), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(120, 84), BatchNorm(84, num_dims=2), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(84, 10))

lr, num_epochs, batch_size = 1.0, 10, 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

plt.show()

这个代码与我们第一次训练 LeNet时几乎完全相同，主要区别在于学习率大得多。

loss 0.248, train acc 0.910, test acc 0.856
19017.5 examples/sec on cuda:0

可以看从第一个批量归一化层中学到的拉伸参数 gamma 和偏移参数 beta。

print(net[1].gamma.reshape((-1,)), net[1].beta.reshape((-1,)))
##############################
tensor([1.6943, 1.8941, 2.5112, 1.5086, 2.3657, 2.2883], device='cuda:0',
       grad_fn=<ViewBackward>) tensor([ 0.1875,  0.8067, -2.6232, -0.9846, -0.4181, -0.1513], device='cuda:0',
       grad_fn=<ViewBackward>)

5.6 简明实现

BatchNorm2d：应用于卷积层。
BatchNorm1d：应用于全连接层。

相当于我们上面实现的batch_norm函数和BatchNorm的层。

net = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5), nn.BatchNorm2d(6), nn.Sigmoid(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
    nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5), nn.BatchNorm2d(16), nn.Sigmoid(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2), nn.Flatten(),
    nn.Linear(256, 120), nn.BatchNorm1d(120), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(120, 84), nn.BatchNorm1d(84), nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(84, 10))

d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

6 残差网络 ResNet

随着我们设计越来越深的网络，深刻理解 “新添加的层如何提升神经网络的性能” 变得至关重要。更重要的是设计网络的能力。

6.1 函数类

因此，只有当较复杂的函数类包含较小的函数类时，我们才能确保提高它们的性能。 对于深度神经网络，如果我们能将新添加的层训练成 恒等映射（identity function） f(x)=x ，新模型和原模型将同样有效。 同时，由于新模型可能得出更优的解来拟合训练数据集，因此添加层似乎更容易降低训练误差。

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。 于是，残差块 （residual blocks） 便诞生了，这个设计对如何建立深层神经网络产生了深远的影响。

6.2 残差块

左图虚线框中的部分需要直接拟合出该映射 f(x) ，而右图虚线框中的部分则需要拟合出残差映射 f(x)?x 。 残差映射在现实中往往更容易优化。

如果想改变通道数，就需要引入一个额外的 1×1 卷积层来将输入变换成需要的形状后再做相加运算。

import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from d2l import torch as d2l

class Residual(nn.Module):
    def __init__(self, input_channels, num_channels,
                 use_1x1conv=False, strides=1):
        # ResNet沿用了VGG完整的3×3卷积层设计,残差块里首先有2个有相同输出通道数的3×3卷积层
        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=1, stride=strides)
        else:
            self.conv3 = None
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_channels)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_channels)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    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：
一种是在 use_1x1conv=False 、应用 ReLU 非线性函数之前，将输入添加到输出。
另一种是在 use_1x1conv=True 时，添加通过 1×1 卷积调整通道和分辨率。

查看输入和输出形状一致的情况。

blk = Residual(3, 3)  # 第一个是输入通道，第二个是输出通道
print(blk)
X = torch.rand(4, 3, 6, 6)  # 批量大小，通道数，高，宽
Y = blk(X)
print(Y.shape)
##############
Residual(
  (conv1): Conv2d(3, 3, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
  (conv2): Conv2d(3, 3, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1))
  (bn1): BatchNorm2d(3, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (bn2): BatchNorm2d(3, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (relu): ReLU(inplace=True)
)
torch.Size([4, 3, 6, 6])

我们也可以在增加输出通道数的同时，减半输出的高和宽。

blk = Residual(3, 6, use_1x1conv=True, strides=2)
print(blk(X).shape)
########
torch.Size([4, 6, 3, 3])

6.3 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 7×7 卷积层后，接步幅为 2 的 3×3 的最大汇聚层。 不同之处在于 ResNet 每个卷积层后增加了批量归一化层。

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))

GoogLeNet 在后面接了 4 个由Inception块组成的模块。 ResNet 则使用 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。

def resnet_block(input_channels, num_channels, num_residuals,
                 first_block=False):
    blk = []
    for i in range(num_residuals):
        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。

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，与 GoogLeNet 一样，在 ResNet 中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))

6.4 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())

plt.show()

6.5 小结

• 残差块使得很深的网络更加容易训练
• 残差网络对随后的深层神经网络设计产生了深远影响，无论是卷积类网络还是全连接类网络
• 原论文讲过梯度爆炸和梯度消失在引入bn层之后基本解决，残差是为了解决网络退化