（动手学习深度学习）第7章稠密连接网络---DenseNet

DenseNet

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DenseNet的优点：

省参数。在 ImageNet 分类数据集上达到同样的准确率，DenseNet 所需的参数量不到 ResNet 的一半。对于工业界而言，小模型可以显著地节省带宽，降低存储开销。
省计算。达到与 ResNet 相当的精度，DenseNet 所需的计算量也只有 ResNet 的一半左右。计算效率在深度学习实际应用中的需求非常强烈，从本次 CVPR 会上大家对模型压缩以及 MobileNet 和 ShuffleNet 这些工作的关注就可以看得出来。最近我们也在搭建更高效的 DenseNet，初步结果表明 DenseNet 对于这类应用具有非常大的潜力，即使不用 Depth Separable Convolution 也能达到比现有方法更好的结果，预计在近期我们会公开相应的方法和模型。
抗过拟合。DenseNet 具有非常好的抗过拟合性能，尤其适合于训练数据相对匮乏的应用。对于 DenseNet 抗过拟合的原因有一个比较直观的解释：神经网络每一层提取的特征都相当于对输入数据的一个非线性变换，而随着深度的增加，变换的复杂度也逐渐增加（更多非线性函数的复合）。相比于一般神经网络的分类器直接依赖于网络最后一层（复杂度最高）的特征，DenseNet 可以综合利用浅层复杂度低的特征，因而更容易得到一个光滑的具有更好泛化性能的决策函数。实际上，DenseNet 的泛化性能优于其他网络是可以从理论上证明的：去年的一篇几乎与 DenseNet 同期发布在 arXiv 上的论文（AdaNet: Adaptive Structural Learning of Artificial Neural Networks）所证明的结论（见原文中 Theorem 1）表明类似于 DenseNet 的网络结构具有更小的泛化误差界。
泛化性能更强。如果没有data augmention，CIFAR-100下，ResNet表现下降很多，DenseNet下降不多，说明DenseNet泛化性能更强。

DenseNet的改进思路

每层开始的瓶颈层（1x1 卷积）对于减少参数量和计算量非常有用。
像 VGG 和 ResNet 那样每做一次下采样（down-sampling）之后都把层宽度（growth rate) 增加一倍，可以提高 DenseNet 的计算效率（FLOPS efficiency）。
与其他网络一样，DenseNet 的深度和宽度应该均衡的变化，当然 DenseNet 每层的宽度要远小于其他模型。
每一层设计得较窄会降低 DenseNet 在 GPU 上的运算效率，但可能会提高在 CPU 上的运算效率。

总结

在跨层连接上，不同于ResNet中将输入与输出相加，稠密连接网络（DenseNet）在通道维度上连接（concat）输入和输出。
DenseNet的主要构建模块是稠密块和过渡层。
在构建DenseNet时，我们需要通过添加过渡层来控制网络的维数，从而再次减少通道数。

DenseNet代码实现

导入相关库

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

定义网络模型

DenseNet Block由稠密块和过渡层构成:
稠密块：
- 由多个卷积块（BN+RelU+Conv）构成。
过渡层：
- 由卷积块（BN+Conv）和池化层构成。

# 定义卷积块（BN+RelU+Conv）: 输入和输出的长和宽不变
def conv_block(input_channels, num_channels):
    return nn.Sequential(
        nn.BatchNorm2d(input_channels), nn.ReLU(),
        nn.Conv2d(input_channels, num_channels, kernel_size=3, padding=1)
    )

# 定义稠密块
class DensBlock(nn.Module):
    def __init__(self, num_convs, input_channels, num_channels):
        """
        :param num_convs: 卷积层个数
        :param input_channels: 输入通道数
        :param num_channels: 输出通道数
        """
        super().__init__()
        layer = []
        for i in range(num_convs):
            layer.append(
                conv_block(num_channels * i + input_channels, num_channels)
            )
        self.net = nn.Sequential(*layer)

    def forward(self, X):
        for blk in self.net:
            Y = blk(X)
            # 连接通道维度上每个块的输入和输出
            X = torch.cat((X, Y), dim=1)
        return X

查看稠密块

blk = DensBlock(2, 3 ,10)
X = torch.randn(4, 3, 8, 8)
Y = blk(X)
Y.shape  # [4, 23, 8, 8]  23 = 3 + 2*10

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DenseNet Block由稠密块和过渡层构成
稠密块：
- 由多个卷积块（BN+RelU+Conv）构成。
过渡层：
- 由卷积块（BN+Conv）和池化层构成。

# 定义过渡层（卷积块（BN+Conv）和池化层）
def transition_block(input_channels, num_channels):
    return nn.Sequential(
        nn.BatchNorm2d(input_channels), nn.ReLU(),
        nn.Conv2d(input_channels, num_channels, kernel_size=1),
        nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)
    )

查看过渡层

blk = transition_block(23, 10)
X = torch.randn(4, 23, 8, 8)
Y = blk(X)
Y.shape  # [4, 23, 8, 8] ---> [3, 10, 8, 8]

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DenseNet Block由稠密块和过渡层构成
稠密块：
- 由多个卷积块（BN+RelU+Conv）构成。
过渡层：
- 由卷积块（BN+Conv）和池化层构成。

# 首先使用同ResNet一样的单卷积层和最大汇聚层
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)
)

# 接下来，类似于ResNet使用的4个残差块，DenseNet使用的是4个稠密块。
# 稠密块里的卷积层通道数（即增长率）设为32，所以每个稠密块将增加128个通道。
# 在每个模块之间，ResNet通过步幅为2的残差块减小高和宽，DenseNet则使用过渡层来减半高和宽，并减半通道数
num_channels, growth_rate = 64, 32  # 当前的通道数, 增长率
num_convs_in_dense_blocks = [4, 4, 4, 4]  # 4个稠密块内卷积层的个数
blks = []
for i, num_convs in enumerate(num_convs_in_dense_blocks):
    blks.append(
        DensBlock(num_convs, num_channels, growth_rate)
    )
    num_channels +=num_convs * growth_rate  # 上一个稠密块的输出通道数
    if i != len(num_convs_in_dense_blocks) -1 :
        # 在稠密块之间添加一个过渡层，使通道数减半。
        blks.append(transition_block(num_channels, num_channels // 2))
        num_channels = num_channels // 2

net = nn.Sequential(
    b1,
    *blks,
    nn.BatchNorm2d(num_channels),  nn.ReLU(),
    nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)),
    nn.Flatten(),
    nn.Linear(num_channels, 10)
)

查看网络模型

X = torch.randn(1, 1, 96, 96)
for layer in net :
    X = layer(X)
    print(layer.__class__.__name__, 'output shape:\t', X.shape)

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加载数据集

batch_size = 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=96)

训练模型

import time
lr, num_epochs = 0.1, 10
start = time.perf_counter()
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
end = time.perf_counter()
print("运行耗时 %.4f s" % (end-start))