经典论文阅读densenet(Densely Connected Convolutional Networks)

本文介绍了DenseNet卷积网络,它通过直接连接所有层来促进信息和梯度的流动,缓解梯度消失问题,加强特征重用,并减少参数数量。DenseNet与ResNets的差异在于它不通过求和组合特征,而是通过连接。此外,DenseNet的紧凑性和隐性深度监督特性使其易于训练和避免过拟合。

最近的工作表明,如果卷积网络在靠近输入的层和靠近输出的层之间包含较短的连接,则它们可以更深入,更准确和有效地进行训练。具有L层的传统卷积网络具有L个连接-每个层及其后续层之间有一个连接。对于每个层,将所有先前层的特征图用作输入,并将其自己的特征图用作所有后续层的输入。密集连接具有几个引人注目的优点: 它们缓解了消失梯度问题,加强了特征传播,鼓励了特征重用,并大大减少了参数的数量

引言

卷积神经网络 (cnn) 已成为视觉对象识别的主要机器学习方法。尽管神经网络的概念在20年前就已经出现,但是直到现在(2017年)才发展出初具规模的深度神经网络。最初的LeNet5 [19] 由5层组成,VGG具有19 [28],仅去年高速公路网络 [444] 和残差网络 (ResNets) [11] 已超过100层屏障。

随着cnn变得越来越深,一个新的研究问题出现了: 随着有关输入或梯度的信息通过许多层,可能会出现梯度消失。ResNets [11] 和公路网络 [444] 通过身份连接将信号从一个层旁路到下一个层。随机深度 [13] 通过在训练过程中随机掉落层来缩短resnet,以允许更好的信息和梯度流。FractalNets [17] 反复组合几个具有不同数量卷积块的平行层序列,以获得较大的标称深度,同时在网络中保持许多短路径。尽管这些不同的方法在网络拓扑和训练过程中有所不同,但它们都具有一个关键特征: 它们创建了从早期层到后来层的短路径。

### 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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