【论文阅读笔记】Densely Connected Convolutional Networks

DenseNet作为CVPR-2017最佳论文之一,在ResNet基础上改进CNN连接方式,达到最新水平的效果。本文介绍了DenseNet的设计理念、关键组件如DenseBlock、Pooling、GrowthRate、bottleneckLayer及Compression等,并探讨其优势如减少过拟合、增强信息流等。

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       本文是CVPR-2017-best paper之一,在ResNet基础上进一步改变CNN网络连接结构,实现State-of-the-art的效果。论文的想法很值得借鉴。大神还无私的给出了代码实现:

https://github.com/liuzhuang13/DenseNet.

1.Introduction

      介绍了CNN的发展,网络层数变多后出现训练梯度消失的问题,之前大名鼎鼎的ResNet通过改变网络连接结构达到了SOTA,让人们认识到对网络结构做简单调整能对网路性能带来很大的提升。DenseNet将每一层都与其后的所有层连接,得到更好的information Flow。同时指出了相比较ResNet将特征图相加,DenseNet是进行连接(in contrast to ResNets, we never combine features throughsummation before they are passed into a layer; instead,we combine features byconcatenating them.)。

2.Related Work

       提到了Highway Networks,Stochasticdepth,GoogleNet,Deeply Supervised Network等几种激发DenseNet灵感的网络结构,指出DenseNet主要优势在于挖掘特征图的重复使用的潜力。

3.DenseNet

   第三部分是文章核心,介绍DenseNet的结构。



       其中Dense Block体现了Dense的意义。注意从第一个图可以看出,当前层只给同一个Dense block里在其后的层输入,而不是给后面所有层输入,而且不容的Denseblock之间没有全连接。上图中x表示层,H表示操作(BN+Relu+Conv)。

(1)Pooling

      在dense连接时,为了解决特征图尺寸不一致问题,将网络划分为多个dense block。同时在不同的dense block之间增加transition layers(BN,1*1Conv)

(2)Growth Rate

      由于dense连接,特征图数量增加,为了控制数据量,定义了Growth Rate,如上图K=4,所有四个特征图。

(3)bottleneckLayer

      每层产生K个特征图,作者觉得还需要压缩,引入1*1*n的卷积层将block中的特征图数量降到n(DenseNet-B)。

(4)Compression

    为了进一步压缩特征图,通过在dense block里面用bottleneck layer压缩,同时在transition layer中引入reduce参数(0<reduce<1)进一步减少( DenseNet-BC

 4.文章值得注意的思路:

(1)dense connections have a regularizing effect, which reduces overfitting,即dense connections作用相当于正则项,可以拿来做正则化使用,这个可能会是新的研究思路。

(2)DenseNet主线是如何提升 information flow,所以提出了一个大胆的想法,就是让每一层之间都可以直接的联系(仅在一个dense block里,不同 dense block是不行的!)。

(3) 从perceptual field来看,浅层和深层的 field 可以更自由的组合,会使得模型的结果更加 robust。从 wide-network 来看, DenseNet 看以被看作一个真正的宽网络,在训练时会有比 ResNet更稳定的梯度,收敛速度自然更好。

5.缺陷

内存占用量巨大


### Densely Connected Convolutional Networks (DenseNet) 的架构与实现 #### 架构解释 DenseNet 是一种密集连接的卷积神经网络,其核心思想在于通过层间的密集连接来增强特征重用并减少冗余参数。在传统卷积网络中,每一层仅与其相邻的一层相连;而在 DenseNet 中,每层不仅接受前一层的输入,还接受之前所有层的输出作为额外输入[^3]。 这种设计使得 DenseNet 能够显著降低模型复杂度和计算成本,因为各层无需重复学习相同的特征图。具体而言,DenseNet 将每一层的输出视为全局状态的一部分,并允许后续层访问这些状态。因此,最终分类器能够利用整个网络中的所有特征图进行预测[^5]。 #### 实现方法 以下是 DenseNet 的基本构建单元及其 Python 实现: 1. **Dense Block**: 密集块由多个卷积层组成,其中每一层都将自身的输出与其他层的输出拼接在一起。 2. **Transition Layer**: 这些层用于控制特征图的数量以及缩小图像尺寸,通常包括批量归一化(Batch Normalization)、ReLU 和平均池化操作。 下面是基于 PyTorch 的简单实现示例: ```python import torch.nn as nn import torch class Bottleneck(nn.Module): """Bottleneck 层""" def __init__(self, in_channels, growth_rate): super(Bottleneck, self).__init__() inter_channel = 4 * growth_rate self.bn1 = nn.BatchNorm2d(in_channels) self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, inter_channel, kernel_size=1, bias=False) self.relu = nn.ReLU(inplace=True) self.bn2 = nn.BatchNorm2d(inter_channel) self.conv2 = nn.Conv2d(inter_channel, growth_rate, kernel_size=3, padding=1, bias=False) def forward(self, x): out = self.conv1(self.relu(self.bn1(x))) out = self.conv2(self.relu(self.bn2(out))) out = torch.cat((x, out), dim=1) # 特征图拼接 return out class Transition(nn.Module): """过渡层""" def __init__(self, in_channels, out_channels): super(Transition, self).__init__() self.bn = nn.BatchNorm2d(in_channels) self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1, bias=False) self.avg_pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2) def forward(self, x): out = self.conv(self.bn(x)) out = self.avg_pool(out) return out class DenseNet(nn.Module): """DenseNet 主体结构""" def __init__(self, num_init_features, growth_rate, block_config, num_classes=1000): super(DenseNet, self).__init__() self.features = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, num_init_features, kernel_size=7, stride=2, padding=3, bias=False), nn.BatchNorm2d(num_init_features), nn.ReLU(inplace=True), nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1) ) num_features = num_init_features for i, num_layers in enumerate(block_config): dense_block = self._make_dense_block(growth_rate, num_layers, num_features) self.features.add_module(f"denseblock{i + 1}", dense_block) num_features += num_layers * growth_rate if i != len(block_config) - 1: trans_layer = Transition(num_features, num_features // 2) self.features.add_module(f"transition{i + 1}", trans_layer) num_features //= 2 self.classifier = nn.Linear(num_features, num_classes) def _make_dense_block(self, growth_rate, n_layers, input_channels): layers = [] for _ in range(n_layers): layers.append(Bottleneck(input_channels, growth_rate)) input_channels += growth_rate return nn.Sequential(*layers) def forward(self, x): features = self.features(x) out = nn.functional.adaptive_avg_pool2d(features, (1, 1)) out = torch.flatten(out, 1) out = self.classifier(out) return out ``` 上述代码定义了一个基础版本的 DenseNet 模型,其中包括瓶颈层(`Bottleneck`)和过渡层(`Transition`)。通过调整 `growth_rate` 和 `block_config` 参数,可以灵活配置不同的 DenseNet 变种。 ---
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