一、自定义一个简单的CNN模型
方法1
# 使用pytorch自定义一个简单的CNN模型
import torch
import torch.nn as nn
class SimpleCNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleCNN, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, padding=1) #卷积
self.relu1 = nn.ReLU() #激活函数
self.pool1 = nn.MaxPool2d(2, 2) #池化
self.conv2 = nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3, padding=1) #卷积
self.relu2 = nn.ReLU() #激活函数
self.pool2 = nn.MaxPool2d(2, 2) #池化
#前向传播过程
def forward(self, x):
x = self.pool1(self.relu1(self.conv1(x)))
x = self.pool2(self.relu2(self.conv2(x)))
return x
if __name__ == '__main__':
model = SimpleCNN()
print("模型结构:\n", model)
上面代码虽然没有多大问题，但是看起来还是有点过于繁琐，推荐使用nn.Sequential 进行改进。nn.Sequential 是 PyTorch 中的一个容器类模块，用于按顺序组织多个神经网络层（nn.Module 的子类），它会按照你添加的顺序依次执行这些层。
方法2
使用 nn.Sequential 的好处
-
代码简洁：不用手动写
forward函数，每一层自动按顺序执行。 -
结构清晰：适合构建线性堆叠结构的网络（如 CNN 的卷积层、全连接层等）。
-
易于调试：可以像列表一样访问各个层，例如
model[0]表示第一个层。
注意事项：
-
除了按顺序执行，
nn.Sequential不提供其他功能。 -
如果你的网络结构有分支、跳跃连接（如 ResNet 中的 shortcut）、多个输入输出等复杂结构，就不适合用
nn.Sequential，而应该自定义forward方法。
nn.Sequential 是一个按顺序执行的神经网络模块容器，适合构建线性堆叠结构的模型，可以简化代码并使结构更清晰。
import torch
import torch.nn as nn
class SimpleCNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleCNN, self).__init__()
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, padding=1), # 输入3通道，输出16通道
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2),
nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3, padding=1), # 输入16通道，输出32通道
nn.ReLU(),
)
if __name__ == '__main__':
model = SimpleCNN()
print("模型结构:\n", model)
二、自定义CNN模型实现图片边缘检测案例
代码
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torchvision.transforms as transforms
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
# 定义简单的CNN模型
class EdgeDetectionCNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(EdgeDetectionCNN, self).__init__()
# 使用固定的边缘检测卷积核
self.conv1 = nn.Conv2d(1, 2, kernel_size=3, padding=1, bias=False)
# 手动设置卷积核权重（水平和垂直边缘检测）
sobel_x = torch.tensor([[[[-1, 0, 1],
[-2, 0, 2],
[-1, 0, 1]]]], dtype=torch.float32)
sobel_y = torch.tensor([[[[-1, -2, -1],
[0, 0, 0],
[1, 2, 1]]]], dtype=torch.float32)
# 组合两个卷积核
edge_kernels = torch.cat([sobel_x, sobel_y], dim=0)
self.conv1.weight = nn.Parameter(edge_kernels, requires_grad=False)
def forward(self, x):
# 应用边缘检测卷积
edge_features = self.conv1(x)
# 分离水平和垂直特征
horizontal = edge_features[:, 0:1, :, :]
vertical = edge_features[:, 1:2, :, :]
# 计算边缘强度
edge_magnitude = torch.sqrt(horizontal ** 2 + vertical ** 2)
return edge_magnitude, horizontal, vertical
# 图像预处理
def preprocess_image(image_path):
# 打开图像并转换为灰度
image = Image.open(image_path).convert('L')
transform = transforms.Compose([
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(mean=[0.5], std=[0.5])
])
# 添加batch维度 [1, 1, H, W]
image_tensor = transform(image).unsqueeze(0)
return image_tensor, image
# 可视化结果
def visualize_results(original, horizontal, vertical, magnitude):
plt.figure(figsize=(12, 10))
# 原始图像
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.imshow(original, cmap='gray')
plt.title('Original Image')
plt.axis('off')
# 水平边缘
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.imshow(horizontal, cmap='gray')
plt.title('Horizontal Edges')
plt.axis('off')
# 垂直边缘
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.imshow(vertical, cmap='gray')
plt.title('Vertical Edges')
plt.axis('off')
# 边缘强度
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.imshow(magnitude, cmap='gray')
plt.title('Edge Magnitude')
plt.axis('off')
plt.tight_layout()
plt.savefig('edge_detection_result.png')
plt.show()
# 主流程
if __name__ == "__main__":
# 1. 初始化模型
model = EdgeDetectionCNN()
# 2. 加载和预处理图像
image_tensor, original_image = preprocess_image('./images/bird01.jpg') # 替换为你的图片路径
# 3. 提取边缘特征
with torch.no_grad():
edge_magnitude, horizontal, vertical = model(image_tensor)
# 4. 转换为numpy并后处理
horizontal_np = horizontal.squeeze().numpy()
vertical_np = vertical.squeeze().numpy()
magnitude_np = edge_magnitude.squeeze().numpy()
# 5. 可视化结果
visualize_results(original_image,
horizontal_np,
vertical_np,
magnitude_np)
代码说明：
-
模型架构：
-
自定义CNN包含单个卷积层
-
使用两个固定的3x3卷积核（Sobel算子的水平和垂直方向）
-
卷积层权重被冻结（不参与训练）
-
-
边缘检测原理：
-
水平卷积核检测垂直边缘
-
垂直卷积核检测水平边缘
-
边缘强度 = √(水平分量² + 垂直分量²)
-
-
处理流程：
-
输入图像转换为灰度图
-
归一化到[-1, 1]范围
-
通过卷积层提取特征
-
分离水平和垂直边缘分量
-
计算边缘强度图
-
-
输出可视化：
-
原始图像
-
水平边缘特征图
-
垂直边缘特征图
-
边缘强度合成图
-
技术要点：
-
使用Sobel算子作为固定卷积核，是传统图像处理中经典的边缘检测方法
-
通过torch.no_grad() 禁用梯度计算，提高推理效率
-
特征图后处理包含绝对值和强度计算，增强边缘可视化效果
-
输出特征图与输入图像同分辨率（通过padding=1保持尺寸）
三、自定义CNN模型检测图片特征案例
代码
import torch
import torch.nn as nn
import torchvision.transforms as transforms
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
# 定义简单的CNN模型
class SimpleCNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(SimpleCNN, self).__init__()
# 特征提取层
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, padding=1), # 输入3通道，输出16通道
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2), # 尺寸减半
nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=3, padding=1),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2),
nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=3, padding=1),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2, 2)
)
def forward(self, x):
return self.features(x)
# 图像预处理
def preprocess_image(image_path):
transform = transforms.Compose([
transforms.Resize((224, 224)), # 调整图像尺寸
transforms.ToTensor(), # 转为Tensor
transforms.Normalize( # 标准化
mean=[0.485, 0.456, 0.406],
std=[0.229, 0.224, 0.225]
)
])
image = Image.open(image_path).convert('RGB')
return transform(image).unsqueeze(0) # 增加batch维度
# 可视化特征图
def visualize_feature_maps(feature_maps, layer_name):
# 将特征图从GPU转到CPU并转为numpy
features = feature_maps.squeeze(0).detach().cpu().numpy()
# 创建子图
fig, axes = plt.subplots(8, 8, figsize=(12, 12))
fig.suptitle(f'Feature Maps: {layer_name}', fontsize=16)
# 绘制前64个特征图
for i, ax in enumerate(axes.flat):
if i < features.shape[0]:
ax.imshow(features[i], cmap='viridis')
ax.set_title(f'Ch {i + 1}')
ax.axis('off')
plt.tight_layout()
plt.show()
# 主程序
if __name__ == "__main__":
# 1. 创建模型
model = SimpleCNN()
print("模型结构:\n", model)
# 2. 加载并预处理图像
image_tensor = preprocess_image('./images/cat.jpg') # 替换为你的图片路径
print("输入图像尺寸:", image_tensor.shape)
# 3. 前向传播提取特征
with torch.no_grad():
feature_maps = model(image_tensor)
# 4. 输出特征图信息
print("\n提取的特征图尺寸:", feature_maps.shape) # [batch, channels, height, width]
print("特征图数量:", feature_maps.size(1))
# 5. 可视化特征图
visualize_feature_maps(feature_maps, "Final Conv Layer")
这里重点解释一下transforms.Compose模块。
transforms.Compose 是 PyTorch 中 torchvision.transforms 模块提供的一个非常有用的类，它允许你将多个图像变换组合成一个单一的变换。这对于在数据预处理阶段需要应用一系列转换操作（如调整大小、裁剪、翻转、归一化等）特别方便。当你使用 Compose 来创建一个转换列表时，输入的图像会按照列表中转换的顺序依次经过每个转换。
-
transforms.Resize((224, 224)): 这个转换操作会将输入图像的尺寸调整到指定的大小，这里是 224×224 像素。调整大小是很多深度学习模型的一个常见预处理步骤，因为大多数模型都需要固定的输入尺寸。
-
transforms.ToTensor(): 此操作将PIL Image或NumPy ndarray转换为FloatTensor，并且调整图像像素值的范围从[0, 255]到[0.0, 1.0]。这样做是为了使输入适合于许多深度学习框架中的计算要求。
-
transforms.Normalize(mean, std): 归一化操作。此步骤非常重要，因为它帮助模型更快地收敛。这里的参数mean和std分别表示用于每个通道的均值和标准差。对于RGB三通道图像，您提供了三个均值和三个标准差，对应于R、G、B三个通道。这个特定的均值和标准差集是基于ImageNet数据集计算得出的，常用于预训练模型的输入预处理。
这样，图像就会按顺序经过Resize、ToTensor和Normalize这三个转换步骤，最后得到一个可以输入到神经网络中的张量。
四、永远不要直接调用forward()
思考一个问题
这里让我思考另外一个问题，feature_maps = model(image_tensor) 这行代码为什么会自动调用forward方法呢？
背后的机制
-
nn.Module基类的魔法方法：-
当你调用
model(input_tensor)时，实际上是在调用模型的__call__方法 -
PyTorch的
nn.Module类重写了__call__方法 -
__call__方法内部会调用forward方法，并添加额外的处理（如钩子函数）
-
-
代码等价关系：
# 这两种写法是等价的 output = model(image_tensor) # 推荐写法 output = model.forward(image_tensor) # 等效写法（但不推荐）
-
为什么设计成这样：
-
语法更简洁自然（像函数调用一样使用模型）
-
允许PyTorch在执行
forward前后添加额外逻辑 -
支持模型钩子（hooks）等高级功能
-
保持API的一致性（所有模型都可以这样调用）
-
为什么这样设计比直接调用forward更好
| 方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
model(input) | 自动处理hooks、梯度等 | - |
model.forward(input) | 更"直接" | 可能绕过重要逻辑 |
在PyTorch中，永远不要直接调用forward()，因为：
-
会跳过
nn.Module的前置/后置处理 -
可能导致hooks不执行
-
梯度计算可能不正常
总结：为什么永远不要直接调用 forward()
| 问题类型 | 直接调用 forward() 的后果 | 正确调用 model(input) 的优势 |
|---|---|---|
| 前置/后置处理 | 跳过训练/评估模式切换，子模块初始化等 | 自动处理所有模块状态管理 |
| Hooks | 所有注册的钩子都不会执行 | 保证所有钩子正确触发 |
| 梯度计算 | 破坏计算图，导致梯度为零或错误 | 保持完整的计算图，正确计算梯度 |
| 嵌套模块 | 子模块的前向传播也可能被破坏 | 递归正确处理所有子模块 |
| 框架兼容性 | 可能导致与其他PyTorch功能不兼容 | 保证与所有PyTorch特性兼容 |
在实际开发中，唯一应该直接使用 forward() 的情况是当你在重写 nn.Module 的 forward 方法时，需要调用父类或其他模块的 forward 方法。即便如此，也应该使用 super().forward(x) 或 self.child_module(x) 的形式，而不是直接调用 child_module.forward(x)。
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