分类网络搭建示例

搭建CNN网络

本章我们来学习一下如何搭建网络，初始化方法，模型的保存，预训练模型的加载方法。本专栏需要搭建的是对分类性能的测试，所以这里我们只以VGG为例。

请注意，这里定义的只是一个简陋的版本，后续一些经典网络的学习，我们会在另外单独去开一个专栏讲解。

1. 网络搭建

在PyTorch中，你可以使用 torchvision.models 中的 vgg16 来加载预定义的VGG16模型，也可以手动定义。以下是手动定义的一个简化版本：

import torch
import torch.nn as nn
 
class VGG16(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=1000):
        super(VGG16, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            
            nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            
            nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(256, 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=2, stride=2),
            
            nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        )
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((7, 7))
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(512 * 7 * 7, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(),
            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

2. 初始化方法

在这里，我们不再手动初始化每一层，因为PyTorch的默认初始化通常足够好。你可以选择手动初始化，如果需要，可以使用 torch.nn.init 中的不同方法。

3. 模型的保存

使用 torch.save 保存VGG16模型：

vgg16 = VGG16()
 
torch.save(vgg16.state_dict(), 'vgg16_model.pth')

4. 预训练模型的加载

要加载预训练的VGG16模型，你可以使用 torchvision.models 中的 vgg16(pretrained=True)，或者手动加载预训练权重：

vgg16 = VGG16()
 
vgg16.load_state_dict(torch.load('pretrained_vgg16.pth'))

请确保路径 'pretrained_vgg16.pth' 是你预训练模型文件的实际路径。你可以从PyTorch的官方模型库或其他来源下载预训练权重。

上面是最简单的一种模型全部加载的方式，但也有一些情况下，只是想加载其中一部分层的参数。剩下一部分由于已经改变参数了，无法加载预训练模型，所以要选择随机初始化。 、

这里我们来观察网络怎么去表示的：

if __name__ == "__main__":
    model = VGG16()
    for name, value in model.named_parameters():
        print(name)

下面就是控制台打印出的部分信息。 

这两行的输出就是打印网络层的名字，实际上加载预训练模型时，也是按照这个名字来加载的。

# 加载预训练 VGG16 模型的参数
pretrained_dict = torch.load('pretrained_vgg16.pth')
 
# 剔除预训练模型中全连接层的参数
pretrained_dict.pop('classifier.0.weight')
pretrained_dict.pop('classifier.0.bias')
pretrained_dict.pop('classifier.3.weight')
pretrained_dict.pop('classifier.3.bias')
pretrained_dict.pop('classifier.6.weight')
pretrained_dict.pop('classifier.6.bias')
 
# 获取自定义模型的参数字典
model_dict = model.state_dict()
 
# 更新自定义模型的参数字典，加载预训练模型的参数值
model_dict.update(pretrained_dict)
 
# 加载更新后的参数字典到自定义模型中
model.load_state_dict(model_dict)

自己定义的一些层是不会出现在pretrained_dict中，因此会将其剔除，从而只加载了 pretrained_dict中有的层。

总结

本章只是对网络的定义进行一个简单的示例，具体的部分我们会在另外一个专栏讲解，这里只是为了让读者了解网络定义的流程。在实际项目中，通常需要更详细的网络结构，包括适当的初始化方法、损失函数的选择、优化器的设置等。如果读者了解掌握了基本的网络定义过程，你可以在本专栏中深入讲解这些方面，以及如何训练和评估模型等内容。