densenet比resnet参数量少,但训练速度慢的原因分析

笔者做四分类模型时发现,训练好的densenet的h5模型参数量仅1.3M,远少于resnet50的271M,但训练速度却更慢。通过查找资料、分析网络结构发现,densenet参数少是因卷积输入输出channel数少;速度慢是因featuremap大,卷积计算量、内存占用和访问次数多。还参考博客侧面验证猜想。

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    笔者做一个四分类的模型,发现了一个非常有意思的问题,就是训练好的densenet的h5模型只有1.3M的参数量,而resnet50的参数量有271M之多,但是训练的速度竟然是densenet更慢,笔者很迷惑,所以就查找了一些资料并对网络结构进行分析,做一下记录,供大家参考。

首先我查找了一些资料,进行分析,毕竟要先知道网络速度的快慢和啥有关对吧,参考如下博客,

https://blog.youkuaiyun.com/leayc/article/details/81001801

然后我把自己的densenet和resnent的模型打印出来,model.summery()得到了两个模型的结构,下面是densenet的(没截全,只取了一开始和结尾部分):

下面是resnet的(同样只是一开始和结尾部分):

通过对比可以发现densenet比resnet参数少的原因在于每一次卷积输入输出的chanenl个数要比resnet少很多,这样bn层的参数也会少很多,channel数对此的影响很大,全连接层的参数也比resnet少很多;densenet比resnet慢的原因在于,densenet的featuremap比resnet大很多,导致卷积过程的计算量比resnet大很多,简而言之就是flops要大一些,内存的占用要大一些,而且内存的访问次数要多很多,内存的访问是很慢的,可以参考上面的那个连接里面讲解的,而不是全连接层的原因,因为densenet的全连接参数比resnet要少很多。

分析完原因以后,又看了一篇博客,上面正好有相关的参数实验,https://blog.youkuaiyun.com/u011311291/article/details/82969409

里面涉及到vgg16及densenet201的参数和内存的消耗,虽然我自己没有动手实验自己的网络,但是从侧面已经验证了我的猜想。

 

<think>好的,我现在需要向用户介绍DenseNet模型的原理和特点。首先,我得回忆一下DenseNet的基本概念,确保自己理解正确。DenseNet,全称是Dense Convolutional Network,也就是密集卷积网络。它是在2017年由康奈尔大学的Gao Huang等人提出的,对吧? 接下来,原理部分。DenseNet的核心思想是密集连接,也就是每一层都连接到后面所有的层。这不同于之前的ResNet的残差连接,ResNet是通过相加的方式将前面层的特征传递到后面,而DenseNet应该是在通道维度上进行拼接。这样的话,每一层都能直接访问之前所有层的特征图,从而促进特征重用,减梯度消失问题。 然后,我需要解释一下Dense Block的结构。在Dense Block内部,每一层的输入都是前面所有层输出的拼接。假设有L层,那么第L层的输入就是前面L-1层输出的拼接。这会导致特征图的通道数不断增加,所以每个Dense Block之后应该有一个过渡层(Transition Layer),通常包括批量归一化、卷积和池化,用来压缩通道数和降低特征图尺寸,以控制模型复杂度。 关于特点,DenseNet有几个显著的优势。首先是减轻了梯度消失,因为每一层都能直接获得损失函数的梯度。其次,特征重用提高了参数的效率,因为每一层都可以利用之前的所有特征,所以不需要重复学习冗余的特征。另外,模型参数更,因为每一层的卷积核可以设计得很小,例如使用1x1和3x3的卷积组合,这样在保持性能的同时减参数数量。 不过,这里可能需要更具体一点。比如,DenseNet中的每个层(通常称为Dense Layer)由BN、ReLU、卷积组成,通常使用Bottleneck结构,即1x1卷积减通道数,再进行3x3卷积。这样可以减计算量。每个Dense Block之后,过渡层使用1x1卷积压缩通道,然后进行平均池化下采样。 用户可能还会想知道DenseNet相比ResNet的优势在哪里。比如,ResNet通过残差相加,而DenseNet通过拼接,这样保留了更多原始信息,促进特征重用。此外,DenseNet的参数更,但计算量可能因为拼接操作而增加,特别是在通道数很大的时候。不过,通过Bottleneck和过渡层的设计,这个问题得到缓解。 可能需要提到具体的网络结构,比如DenseNet-121、169等,这些数字代表的是网络的层数。不同版本的区别在于每个Dense Block中的层数不同。例如,DenseNet-121有四个Dense Block,每个Block里的层数不同。 在应用方面,DenseNet在图像分类任务中表现很好,尤其是在数据量较的情况下,因为参数效率高。但可能因为密集连接,显存占用较高,尤其是在训练时,因为需要保存很多中间特征图。不过,后续的研究可能有优化方法,比如内存优化技术。 总结一下,我需要分步骤解释DenseNet的原理,包括密集连接、Dense Block和过渡层的结构,然后讨论其特点,比如减轻梯度消失、特征重用、参数效率等,同时可能提到优缺点和应用场景。需要确保用词准确,结构清晰,避免技术错误,比如正确区分ResNetDenseNet的连接方式,以及正确描述Bottleneck的作用。 在组织回答时,应该先介绍原理,再详细讲解结构,然后列出特点,最后可能对比其他模型或讨论应用。要注意使用中文,数学公式用$$...$$,比如特征拼接的过程可以用公式表示。例如,第$l$层的输入是前面所有层的输出拼接:$x_l = H_l([x_0, x_1, ..., x_{l-1}])$,其中$H_l$代表第$l$层的非线性变换。 检查是否有遗漏点,比如DenseNet的增长率(growth rate)参数k,每个Dense Layer产生k个特征图,这样每个Block中每层输出的通道数是k,而整个Dense Block的输出通道数是初始通道数加上层数乘以k。这可能也是过渡层需要压缩的原因,避免通道数过多。 最后,确保回答符合用户的要求:结构清晰,逐步解释,正确使用LaTeX格式,用中文。可能还需要验证一些细节,比如DenseNet的提出时间和作者是否正确,结构细节是否准确,避免错误。</think>DenseNet(Dense Convolutional Network)是一种通过密集连接增强特征重用的卷积神经网络模型。以下分步骤介绍其原理和特点: --- ### **一、原理** 1. **密集连接(Dense Connectivity)** 每一层的输入是**前面所有层输出的拼接**。例如,第$l$层的输入为: $$ x_l = H_l\left(\left[x_0, x_1, \dots, x_{l-1}\right]\right) $$ 其中$H_l$表示第$l$层的非线性变换(如卷积、激活函数),$\left[x_0, \dots, x_{l-1}\right]$表示沿通道维度拼接特征图。 2. **Dense Block结构** - 每个Dense Block内部由多个**Dense Layer**组成。 - 每个Dense Layer包含: - **批量归一化(BN)** → **ReLU** → **1×1卷积(Bottleneck)** → **BN** → **ReLU** → **3×3卷积**。 - Bottleneck的1×1卷积用于减通道数,降低计算量。 3. **过渡层(Transition Layer)** 位于Dense Block之间,用于压缩通道和降维: - **1×1卷积**:减通道数(通常压缩为原通道数的一半)。 - **2×2平均池化**:缩小特征图尺寸。 --- ### **二、特点** 1. **减轻梯度消失** 密集连接使得每层都能直接获取损失函数的梯度,缓解深层网络的梯度消失问题。 2. **特征重用** 所有前置层的特征图被后续层复用,避免冗余学习,提升参数效率。 3. **参数更** - 通过Bottleneck设计(1×1卷积)和过渡层压缩通道,显著减参数量。 - 例如,DenseNet-201在ImageNet上的参数仅为ResNet-152的60%,但精度更高。 4. **显式控制特征增长率** 引入**增长率(Growth Rate)**$k$,定义每层输出的新通道数(如$k=32$)。整个Dense Block的输出通道数为: $$ \text{通道数} = k_0 + k \times (l-1) $$ 其中$k_0$为初始通道数,$l$为Dense Block内的层数。 --- ### **三、与ResNet的对比** | **特性** | **ResNet** | **DenseNet** | |----------------|---------------------------|----------------------------| | 连接方式 | 残差相加($x_{l}=x_{l-1}+F(x_{l-1})$) | 通道拼接($x_l = [x_0, \dots, x_{l-1}]$) | | 特征传递 | 间接(逐层相加) | 直接(保留所有历史特征) | | 参数效率 | 较低 | 较高(复用特征减冗余) | | 显存占用 | 较低 | 较高(需存储大量特征图) | --- ### **四、典型结构** 以DenseNet-121为例: 1. **初始卷积层**:7×7卷积 + 3×3最大池化。 2. **4个Dense Block**:分别包含6、12、24、16个Dense Layer。 3. **过渡层**:每个Dense Block后接过渡层(1×1卷积 + 平均池化)。 4. **分类层**:全局平均池化 + 全连接层。 --- ### **五、优缺点** - **优点**:参数、精度高、适合小数据集。 - **缺点**:训练时显存消耗大(需优化内存管理)。 --- ### **六、应用场景** - 图像分类(如ImageNet)、目标检测、医学图像分析等对特征复用要求高的任务。 通过密集连接和高效的特征复用,DenseNet在减参数量的同时提升了模型性能,成为深度学习中的重要基础架构之一。
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