pytorch教程resnet.py的实现文件源码分析

目录

• 调用pytorch内置的模型的方法
• 解读模型源码Resnet.py
• 包含的库文件
• 该库定义了6种Resnet的网络结构
• 每种网络都有训练好的可以直接用的.pth参数文件
• Resnet中大多使用3*3的卷积定义如下
• 如何定义不同大小的Resnet网络
• 定义Resnet18
• 定义Resnet34
• Resnet类
• 网络的forward过程
• 残差Block连接是如何实现的

调用pytorch内置的模型的方法

import torchvision
model = torchvision.models.resnet50(pretrained=True)

这样就导入了resnet50的预训练模型了。如果只需要网络结构，不需要用预训练模型的参数来初始化

那么就是：

model = torchvision.models.resnet50(pretrained=False)

如果要导入densenet模型也是同样的道理

比如导入densenet169，且不需要是预训练的模型：

model = torchvision.models.densenet169(pretrained=False)

由于pretrained参数默认是False，所以等价于：

model = torchvision.models.densenet169()

不过为了代码清晰，最好还是加上参数赋值。

解读模型源码Resnet.py

包含的库文件

import torch.nn as nn
import math
import torch.utils.model_zoo as model_zoo

该库定义了6种Resnet的网络结构

包括

__all__ = ['ResNet', 'resnet18', 'resnet34', 'resnet50',  'resnet101',  'resnet152']

每种网络都有训练好的可以直接用的.pth参数文件

__all__ = ['ResNet', 'resnet18', 'resnet34', 'resnet50',  'resnet101',  'resnet152']

Resnet中大多使用3*3的卷积定义如下

def conv3x3(in_planes, out_planes, stride=1):
"""3x3 convolution with padding"""
return nn.Conv2d(in_planes, out_planes, kernel_size=3,
stride=stride, padding=1, bias=False)

该函数继承自nn网络中的2维卷积，这样做主要是为了方便，少写参数参数由原来的6个变成了3个

输出图与输入图长宽保持一致

如何定义不同大小的Resnet网络

Resnet类是一个基类，
所谓的"Resnet18", ‘resnet34', ‘resnet50', ‘resnet101', 'resnet152'只是Resnet类初始化的时候使用了不同的参数，理论上我们可以根据Resnet类定义任意大小的Resnet网络
下面先看看这些不同大小的Resnet网络是如何定义的

定义Resnet18

def resnet18(pretrained=False, **kwargs):
"""
Constructs a ResNet-18 model.
Args:
pretrained (bool):If True, returns a model pre-trained on ImageNet
"""
model = ResNet(BasicBlock, [2, 2, 2, 2], **kwargs)
if pretrained:
    model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_urls['resnet18']))
 return model

定义Resnet34

def resnet34(pretrained=False, **kwargs):
"""Constructs a ResNet-34 model.
Args:        pretrained (bool): If True, returns a model pre-trained on ImageNet    """
model = ResNet(BasicBlock, [3, 4, 6, 3], **kwargs)
if pretrained:
    model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_urls['resnet34']))
 return model

我们发现Resnet18和Resnet34的定义几乎是一样的,下面我们把Resnet18，Resnet34，Resnet50，Resnet101，Resnet152，不一样的部分写在一块进行对比

model = ResNet(BasicBlock, [2, 2, 2, 2], **kwargs)    #Resnet18
model = ResNet(BasicBlock, [3, 4, 6, 3], **kwargs)    #Resnet34
model = ResNet(Bottleneck, [3, 4, 6, 3], **kwargs)    #Eesnt50
model = ResNet(Bottleneck, [3, 4, 23, 3], **kwargs)  #Resnet101
model = ResNet(Bottleneck, [3, 8, 36, 3], **kwargs)  #Resnet152

代码看起来非常的简洁工整，

其他resnet18、resnet101等函数和resnet18基本类似，差别主要是在：

1、构建网络结构的时候block的参数不一样，比如resnet18中是[2, 2, 2, 2]，resnet101中是[3, 4, 23, 3]。

2、调用的block类不一样，比如在resnet50、resnet101、resnet152中调用的是Bottleneck类，而在resnet18和resnet34中调用的是BasicBlock类，这两个类的区别主要是在residual结果中卷积层的数量不同，这个是和网络结构相关的，后面会详细介绍。

3、如果下载预训练模型的话，model_urls字典的键不一样，对应不同的预训练模型。因此接下来分别看看如何构建网络结构和如何导入预训练模型。

Resnet类

构建ResNet网络是通过ResNet这个类进行的。ResNet类是继承PyTorch中网络的基类：torch.nn.Module。

构建Resnet类主要在于重写 init() 和 forward() 方法。

我们构建的所有网络比如：VGG，Alexnet等都需要重写这两个方法，这两个方法很重要

看起来Resne类是整个文档的核心

下面我们就要研究一下Resnet基类是如何实现的

Resnet类采用了pytorch定义网络模型的标准结构，包含

iinit（）方法： 定义了网络的各个层
forward()方法： 定义了前向传播过程

这两个方法的用法，这个可以查看pytorch的官方文档就可以明白

在Resnet类中，还包含一个自定义的方法make_layer()方法

是用来构建ResNet网络中的4个blocks。

_make_layer方法的第一个输入block是Bottleneck或BasicBlock类

第二个输入是该blocks的输出channel

第三个输入是每个blocks中包含多少个residual子结构，因此layers这个列表就是前面resnet50的[3, 4, 6, 3]。

_make_layer方法中比较重要的两行代码是：

layers.append(block(self.inplanes, planes, stride, downsample))

该部分是将每个blocks的第一个residual结构保存在layers列表中。

 for i in range(1, blocks): layers.append(block(self.inplanes, planes))

该部分是将每个blocks的剩下residual 结构保存在layers列表中，这样就完成了一个blocks的构造。这两行代码中都是通过Bottleneck这个类来完成每个residual的构建

接下来介绍Bottleneck类

class ResNet(nn.Module):
    def __init__(self, block, layers, num_classes=1000):
        self.inplanes = 64
        super(ResNet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3,
                               bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.layer1 = self._make_layer(block, 64, layers[0])
        self.layer2 = self._make_layer(block, 128, layers[1], stride=2)
        self.layer3 = self._make_layer(block, 256, layers[2], stride=2)
        self.layer4 = self._make_layer(block, 512, layers[3], stride=2)
        self.avgpool = nn.AvgPool2d(7, stride=1)
        self.fc = nn.Linear(512 * block.expansion, num_classes)
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
                m.weight.data.normal_(0, math.sqrt(2. / n))
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()
    def _make_layer(self, block, planes, blocks, stride=1):
        downsample = None
        if stride != 1 or self.inplanes != planes * block.expansion:
            downsample = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(self.inplanes, planes * block.expansion,
                          kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(planes * block.expansion),
            )
        layers = []
        layers.append(block(self.inplanes, planes, stride, downsample))
        self.inplanes = planes * block.expansion
        for i in range(1, blocks):
            layers.append(block(self.inplanes, planes))
        return nn.Sequential(*layers)
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.bn1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool(x)
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)
        x = self.avgpool(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fc(x)
        return x

下面我们分别看看这两个过程：

网络的forward过程

 def forward(self, x):                                #x代表输入
        x = self.conv1(x)                             #进过卷积层1
        x = self.bn1(x)                                #bn1层
        x = self.relu(x)                                #relu激活
        x = self.maxpool(x)                         #最大池化
        x = self.layer1(x)                            #卷积块1
        x = self.layer2(x)                           #卷积块2
        x = self.layer3(x)                          #卷积块3
        x = self.layer4(x)                          #卷积块4
        x = self.avgpool(x)                     #平均池化
        x = x.view(x.size(0), -1)               #二维变成变成一维向量
        x = self.fc(x)                             #全连接层
        return x

里面的大部分我们都可以理解，只有layer1-layer4是Resnet网络自己定义的，
它也是Resnet残差连接的精髓所在，我们来分析一下layer层是怎么实现的

残差Block连接是如何实现的

从前面的ResNet类可以看出，在构造ResNet网络的时候，最重要的是 BasicBlock这个类，因为ResNet是由residual结构组成的，而 BasicBlock类就是完成residual结构的构建。同样 BasicBlock还是继承了torch.nn.Module类，且重写了__init__()和forward()方法。从forward方法可以看出，bottleneck就是我们熟悉的3个主要的卷积层、BN层和激活层，最后的out += residual就是element-wise add的操作。

这部分在 BasicBlock类中实现，我们看看这层是如何前向传播的

def forward(self, x):
        residual = x
        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out)
        if self.downsample is not None:
            residual = self.downsample(x)
        out += residual
        out = self.relu(out)
        return out

我画个流程图来表示一下

画的比较丑，不过基本意思在里面了，

根据论文的描述，x是否需要下采样由x与out是否大小一样决定，

假如进过conv2和bn2后的结果我们称之为 P

假设x的大小为wHchannel1

如果P的大小也是wHchannel1

则无需下采样
out = relu(P + X)
out的大小为W * H *(channel1+channel2)，

如果P的大小是W/2 * H/2 * channel

则X需要下采样后才能与P相加，
out = relu(P+ X下采样)
out的大小为W/2 * H/2 * (channel1+channel2)

BasicBlock类和Bottleneck类类似，前者主要是用来构建ResNet18和ResNet34网络，因为这两个网络的residual结构只包含两个卷积层，没有Bottleneck类中的bottleneck概念。因此在该类中，第一个卷积层采用的是kernel_size=3的卷积，就是我们之前提到的conv3x3函数。

下面是BasicBlock类的完整代码

class BasicBlock(nn.Module):
    expansion = 1
    def __init__(self, inplanes, planes, stride=1, downsample=None):
        super(BasicBlock, self).__init__()
        self.conv1 = conv3x3(inplanes, planes, stride)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(planes)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.conv2 = conv3x3(planes, planes)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(planes)
        self.downsample = downsample
        self.stride = stride
    def forward(self, x):
        residual = x
        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)
        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out)
        if self.downsample is not None:
            residual = self.downsample(x)
        out += residual
        out = self.relu(out)
        return out

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