day9-经典神经网络GoogleNet
1 1×1卷积
卷积核的尺寸等于1的特例，用来做升维和降维，减少参数量，改变通道数，通道间的特征融合
1.1作用
1.1.1实现通道间特征的融合
常规转换公式：0.2989R + 0.5870G + 0.1140B
import torch
import cv2
import matplotlib.pyplot as plt
import torch.nn as nn
@torch.no_grad
def gray():#input:RGB图片img=cv2.imread('./a.jpg')img=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)print(img.shape)#1x1卷积con1_1=nn.Conv2d(in_channels=3,out_channels=1,kernel_size=1,stride=1,padding=0,bias=False)print(con1_1.weight.data.shape)#常规转换公式：0.2989R + 0.5870G + 0.1140B#修改权重参数con1_1.weight.data=torch.Tensor([[[[0.2989]],[[0.5870]],[[0.1140]]]])print(con1_1.weight.data.shape)#使用卷积核处理图像out=con1_1(torch.Tensor(img).permute(2,0,1).unsqueeze(0))print(out.shape)#显示图片plt.imshow(out.squeeze(0).permute(1,2,0).numpy(),cmap='gray')plt.show()
if __name__=='__main__':gray()
1.1.2瓶颈结构设计
两头宽，中间窄的网络结构。
-
如果一个输入特征大小为N1×H×W， 使用N1×N2个1×1卷积，就可以将其 映射为N2×H×W大小的特征。
-
当N1>N2，就实现了通道降维。
参数压缩效果：
1×1卷积：降维，图像大小没有改变，通道数减少一半，通道进行了特征融合，减少了参数量，特征丢失的情况不是很严重
1.1.3纺锤形结构设计
升维
2 GoogleNet
GoogLeNet(InceptionNet)取得了2014年ImageNet分类大赛的冠军，参数量远小于VGG系列网络，而精度和速度则超越了VGG系列。
在Inception模块中，可以有效地捕捉图像中的多尺度特征。网络结构被分成多个并行的分支，每个分支都用于捕捉不同尺度的特征。这样，GoogLeNet网络就可以更有效地学习图像的特征，并且还可以减少网络的体积。
GoogLeNet还采用了一种名为“平均池化”的技术，该技术可以在不改变图像尺寸的情况下对图像进行降采样。这样，GoogLeNet网络就可以更快地处理图像，并且还可以提高网络的鲁棒性。
2.1网络结构
多尺度，更宽，分组的网络设计
Inception（3a）：最左1x1卷积：通道之间的特征融合
中间3x3卷积：细致的特征提取
中间5x5卷积：大的轮廓特征提取
2.2基本单元Inception Module
Inception结构设计时使用了多个并行的卷积神经网络模块，这些模块之间形成了一个嵌套的结构，通过串联+并联的方式将卷积层连接起来的。
Inception结构是对输入图像并行地执行多个卷积运算或池化操作，并将所有输出结果拼接为一个非常深的特征图，且不同大小卷积核的卷积运算可以得到图像中的不同信息，处理获取到的图像中的不同信息可以得到更好的图像特征
Inception结构通常用于图像分类和识别任务，因为它能够有效地捕捉图像中的细节信息。它的主要优势在于能够以高效的方式处理大量的数据，并且模型的参数量相对较少，这使得它能够在不同的设备上运行。
1×1卷积位置：放置在前，通道降维；放置在后，更好地维持性能；
2.3GoogLeNet模型结构
2.4模型训练
辅助分类器通常与主要的分类器结合使用，以帮助模型更好地理解图像中的细节和复杂模式。这种技术可以提高模型的泛化能力，使其更准确地预测未知的图像。
在GoogLeNet中有两个辅助分类器，分别在Inception4a和Inception4d
训练时，额外的两个分类器的损失权重为0.3，推理时去除。
2.5代码实现
下面是使用PyTorch搭建GoogLeNet（Inception v1）网络模型的代码。GoogLeNet是一种深度卷积神经网络，具有Inception模块结构，这种结构通过不同大小的卷积核提取多尺度特征。
import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F class Inception(nn.Module):def __init__(self, in_channels, ch1x1, ch3x3red, ch3x3, ch5x5red, ch5x5, pool_proj):super(Inception, self).__init__()self.branch1 = nn.Conv2d(in_channels, ch1x1, kernel_size=1) self.branch2 = nn.Sequential(nn.Conv2d(in_channels, ch3x3red, kernel_size=1),nn.Conv2d(ch3x3red, ch3x3, kernel_size=3, padding=1)) self.branch3 = nn.Sequential(nn.Conv2d(in_channels, ch5x5red, kernel_size=1),nn.Conv2d(ch5x5red, ch5x5, kernel_size=5, padding=2)) self.branch4 = nn.Sequential(nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1),nn.Conv2d(in_channels, pool_proj, kernel_size=1)) def forward(self, x):branch1 = self.branch1(x)branch2 = self.branch2(x)branch3 = self.branch3(x)branch4 = self.branch4(x)outputs = [branch1, branch2, branch3, branch4]return torch.cat(outputs, 1) class GoogLeNet(nn.Module):def __init__(self, num_classes=1000):super(GoogLeNet, self).__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3)self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)self.conv2 = nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=3, padding=1)self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1) self.inception3a = Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32)self.inception3b = Inception(256, 128, 128, 192, 32, 96, 64)self.maxpool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1) self.inception4a = Inception(480, 192, 96, 208, 16, 48, 64)self.inception4b = Inception(512, 160, 112, 224, 24, 64, 64)self.inception4c = Inception(512, 128, 128, 256, 24, 64, 64)self.inception4d = Inception(512, 112, 144, 288, 32, 64, 64)self.inception4e = Inception(528, 256, 160, 320, 32, 128, 128)self.maxpool4 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1) self.inception5a = Inception(832, 256, 160, 320, 32, 128, 128)self.inception5b = Inception(832, 384, 192, 384, 48, 128, 128) self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))self.dropout = nn.Dropout(0.4)self.fc = nn.Linear(1024, num_classes) def forward(self, x):x = self.conv1(x)x = self.maxpool1(x)x = self.conv2(x)x = self.maxpool2(x) x = self.inception3a(x)x = self.inception3b(x)x = self.maxpool3(x) x = self.inception4a(x)x = self.inception4b(x)x = self.inception4c(x)x = self.inception4d(x)x = self.inception4e(x)x = self.maxpool4(x) x = self.inception5a(x)x = self.inception5b(x) x = self.avgpool(x)x = torch.flatten(x, 1)x = self.dropout(x)x = self.fc(x)return x # Example of creating a GoogLeNet instance and printing its architecture model = GoogLeNet(num_classes=1000) print(model)
