Pytorch模型训练实用教程学习笔记：二模型的构建

Posted 2022-08-08 zstar-_

前言

最近在重温Pytorch基础，然而Pytorch官方文档的各种API是根据字母排列的，并不适合学习阅读。
于是在gayhub上找到了这样一份教程《Pytorch模型训练实用教程》，写得不错，特此根据它来再学习一下Pytorch。
仓库地址：https://github.com/TingsongYu/PyTorch_Tutorial

复杂模型构建解析

模型搭建比较容易，但是复杂模型通常是使用多个重复结构，下面以ResNet34为例：

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


class ResidualBlock(nn.Module):
    '''
    实现子module: Residual Block
    '''

    def __init__(self, inchannel, outchannel, stride=1, shortcut=None):
        super(ResidualBlock, self).__init__()
        self.left = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(inchannel, outchannel, 3, stride, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(outchannel),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(outchannel, outchannel, 3, 1, 1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(outchannel))
        self.right = shortcut

    def forward(self, x):
        out = self.left(x)
        residual = x if self.right is None else self.right(x)
        out += residual
        return F.relu(out)


class ResNet34(BasicModule):
    '''
    实现主module：ResNet34
    ResNet34包含多个layer，每个layer又包含多个Residual block
    用子module来实现Residual block，用_make_layer函数来实现layer
    '''

    def __init__(self, num_classes=2):
        super(ResNet34, self).__init__()
        self.model_name = 'resnet34'

        # 前几层: 图像转换
        self.pre = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, 7, 2, 3, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(3, 2, 1))

        # 重复的layer，分别有3，4，6，3个residual block
        self.layer1 = self._make_layer(64, 128, 3)
        self.layer2 = self._make_layer(128, 256, 4, stride=2)
        self.layer3 = self._make_layer(256, 512, 6, stride=2)
        self.layer4 = self._make_layer(512, 512, 3, stride=2)

        # 分类用的全连接
        self.fc = nn.Linear(512, num_classes)

    def _make_layer(self, inchannel, outchannel, block_num, stride=1):
        '''
        构建layer,包含多个residual block
        '''
        shortcut = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(inchannel, outchannel, 1, stride, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(outchannel))

        layers = []
        layers.append(ResidualBlock(inchannel, outchannel, stride, shortcut))

        for i in range(1, block_num):
            layers.append(ResidualBlock(outchannel, outchannel))
        return nn.Sequential(*layers)

    def forward(self, x):
        x = self.pre(x)

        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)

        x = F.avg_pool2d(x, 7)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        return self.fc(x)

残差网络有很多重复的网络结构层，在这些重复的层中，又会有多个相同结构的残差块ResidualBlock。
上面这段代码用_make_layer来调用重复层，同时用ResidualBlock来封装重复结构的残差块。

权值初始化

在以往复现网络时，权重初始化其实一直没注意过，下面这段代码展现如何进行权值初始化。

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(2, 2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(2, 2)
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.pool1(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool2(F.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    # 定义权值初始化
    def initialize_weights(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                torch.nn.init.xavier_normal_(m.weight.data)
                if m.bias is not None:
                    m.bias.data.zero_()
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()
            elif isinstance(m, nn.Linear):
                torch.nn.init.normal_(m.weight.data, 0, 0.01)
                m.bias.data.zero_()


net = Net()     # 创建一个网络
net.initialize_weights()    # 初始化权值

这段代码对网路的卷积层，BN层和全连接层分别初始化了不同的权值和偏置。
默认不初始化权值的情况下，默认采用的随机权值满足均匀分布、

Pytorch中，各种初始化方法如下：

Xavier 均匀分布

torch.nn.init.xavier_uniform_(tensor, gain=1)

Xavier 正态分布

torch.nn.init.xavier_normal_(tensor, gain=1)

kaiming 均匀分布

torch.nn.init.kaiming_uniform_(tensor, a=0, mode=‘fan_in’, nonlinearity=‘leaky_relu’)

kaiming 正态分布

torch.nn.init.kaiming_normal_(tensor, a=0, mode=‘fan_in’, nonlinearity=‘leaky_relu’)

均匀分布初始化

torch.nn.init.uniform_(tensor, a=0, b=1)
使值服从均匀分布 U(a,b)

正态分布初始化

torch.nn.init.normal_(tensor, mean=0, std=1)
使值服从正态分布 N(mean, std)，默认值为 0，1

常数初始化

torch.nn.init.constant_(tensor, val)
使值为常数 val nn.init.constant_(w, 0.3)

单位矩阵初始化

torch.nn.init.eye_(tensor)
将二维 tensor 初始化为单位矩阵（the identity matrix）

正交初始化

torch.nn.init.orthogonal_(tensor, gain=1)

稀疏初始化

torch.nn.init.sparse_(tensor, sparsity, std=0.01)

模型参数保存和加载

在我之前的博文深度学习基础：7.模型的保存与加载/学习率调度中提到过模型的保存和加载，摘过来放到这里。

模型保存：

torch.save(net.state_dict(), 'net_params.pt')

模型加载：

model.load_state_dict('net_params.pt')

在这个教程中，使用的是.pkl这个后缀

torch.save(net.state_dict(), 'net_params.pkl')

相关API均相同，唯一的区别在于文件后缀。
查阅相关资料，pt,pth,pkl均可作为模型参数后缀，不必细究。