2025-05-27 Python深度学习6——神经网络模型

本文环境：

• Pycharm 2025.1
• Python 3.12.9
• Pytorch 2.6.0+cu124

1 基本骨架

​ nn.Module 是 PyTorch 中所有神经网络模块的基类，用于构建和管理深度学习模型。无论是简单的线性层（nn.Linear）还是复杂的 CNN（如 ResNet），它们都继承自 nn.Module。

• 基类作用

  所有神经网络模块（层/模型）的基类，用于组织参数、定义前向传播。

• 关键特性

  • 管理参数（如权重、偏置）和子模块（如卷积层、全连接层）。
  • 必须实现 forward() 方法定义计算逻辑。
  • 自动支持反向传播（通过 Autograd）。

1.1 初始化

• 在__init__()方法中初始化模型属性。

  class MyModel(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()  # 必须调用父类初始化# 在这里定义模型层/参数
  

1.2 实现 forward() 方法

• 在forward()方法中实现数据流的计算逻辑。

• 通过逐层运算完成输入到输出的映射。

      def forward(self, input):# 定义前向传播逻辑output = input + 1return output
  

1.3 使用模型

# 实例化模型
model = MyModel()# 准备输入数据
x = torch.tensor(1)# 调用模型（会自动调用forward方法）
output = model(x)  # 调用模型实例来触发前向传播print(output)

注意事项：

1. 必须继承 nn.Module：所有自定义模型都应继承自 nn.Module。
2. 必须调用 super().__init__()：在 __init__ 方法中初始化父类。
3. 实现 forward 方法：定义模型的前向传播逻辑。
4. 不要直接调用 forward：应该通过调用模型实例来触发前向传播。

2 卷积层（Convolution）

2.1 卷积操作

​ 卷积操作通过滑动一个称为卷积核（或滤波器）的小矩阵对输入数据进行局部加权求和。

​ 卷积操作的主要功能是提取局部特征：

• 底层卷积提取边缘、颜色变化等低级特征。
• 中层卷积提取纹理、图案等中级特征。
• 高层卷积提取物体部件等高级特征。

​ 通过图像动画直观理解卷积的行为

​ （动画源：https://github.com/vdumoulin/conv_arithmetic/blob/master/README.md）。

Pytorch 中的卷积层：https://docs.pytorch.org/docs/stable/nn.html#convolution-layers。

卷积类型	输入维度	卷积核维度	典型应用场景
Conv1d	(batch_size, channels, length)	(out_channels, in_channels, kernel_size)	时序数据、文本、音频信号
Conv2d	(batch_size, channels, height, width)	(out_channels, in_channels, kernel_height, kernel_width)	图像处理、2D 特征图
Conv3d	(batch_size, channels, depth, height, width)	(out_channels, in_channels, kernel_depth, kernel_height, kernel_width)	视频处理、3D 医学图像

以 Conv2d 为例：

​ Conv2d 对输入的多通道信号（如 RGB 图像）执行二维卷积操作，提取空间特征。其数学表达式为：
$$\mathrm{out}(N_i,C_{{\mathrm{out}}_j})=\mathrm{bias}(C_{{\mathrm{out}}_j})+\sum _{k=0}^{C_{\mathrm{in}}-1}\mathrm{weight}(C_{{\mathrm{out}}_j},k)\star \mathrm{input}(N_i,k)$$
​ 其中：

• $\star$ 表示 2D 互相关运算（实际实现中与卷积等价，但无需翻转核）。
• 输入尺寸：$(N,C_{\mathrm{in}},H_{\mathrm{in}},W_{\mathrm{in}})$ 或 $(C_{\mathrm{in}},H_{\mathrm{in}},W_{\mathrm{in}})$。
• 输出尺寸：$(N,C_{\mathrm{out}},H_{\mathrm{out}},W_{\mathrm{out}})$ 或 $(C_{\mathrm{out}},H_{\mathrm{out}},W_{\mathrm{out}})$。
• 输出尺寸公式：

$$\begin{array}{rl}{H}_{out}& =\lfloor \frac{H_{in}+2\times \text{padding}[0]-\text{dilation}[0]\times (\text{kernel\_size}[0]-1)-1}{\text{stride}[0]}+1\rfloor \\ W_{out}& =\lfloor \frac{W_{in}+2\times \text{padding}[1]-\text{dilation}[1]\times (\text{kernel}\_\text{size}[1]-1)-1}{\text{stride}[1]}+1\rfloor \end{array}$$

参数	说明	示例值
in_channels	输入通道数（如 RGB 图像为 3）	3
out_channels	输出通道数（卷积核数量）	16
kernel_size	卷积核尺寸（整数或元组）	3 或 (3, 5)
stride	滑动步长（控制输出尺寸缩减）	2 或 (2, 1)
padding	填充像素数（保持输入输出尺寸一致）	1 或 (0, 1)
padding_mode	填充模式（'zeros'、'reflect'、'replicate'）	'zeros'
dilation	空洞卷积的扩张率（增大感受野）	2
groups	分组卷积（groups=in_channels时为深度卷积）	1（标准卷积）
bias	是否添加可学习偏置	True

2.2 代码示例

1. 数据加载

   • CIFAR-10 数据集：包含 10 类 32×32 彩色图像，共 60,000 张（50,000 训练 + 10,000 测试）。
   • transform=ToTensor()：将 PIL 图像转换为 PyTorch 张量并归一化到 [0, 1] 范围。
   • DataLoader：实现批量加载 (batch_size=64) 和潜在的多进程数据加载。

   import torchvision
   from torch import nn
   from torch.utils.data import DataLoader
   from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
   from torchvision import transforms# 加载CIFAR10数据集
   dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./dataset',  # 数据集存放路径train=False,  # 是否为训练集download=True,  # 是否下载数据集transform=transforms.ToTensor()  # 数据预处理
   )# 加载数据集
   dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=64)  # 每个批次加载64张图片
   

2. 定义模型

   • 输入输出通道：3→9（CIFAR-10 是 RGB 三通道输入）。
   • 卷积核参数：3×3大小，步长 1，无填充 (padding=0)。
   • 输出尺寸计算：(32−3)/1+1=30，所以输出为 9 通道的 30×30 特征图。

   # 定义模型
   class MyModel(nn.Module):def __init__(self):# 调用父类的初始化方法super(MyModel, self).__init__()# 定义卷积层，输入通道数为3，输出通道数为9，卷积核大小为3，步长为1，填充为0self.conv1 = nn.Conv2d(3, 9, 3, stride=1, padding=0)
   

3. 可视化

   • SummaryWriter：TensorBoard 日志记录工具。
   • reshape 操作：将 9 通道输出转换为 3 通道组（因为 TensorBoard 默认显示 3 通道图像）。
   • add_images：记录批次图像数据用于可视化对比。

   # 实例化模型
   model = MyModel()# 创建SummaryWriter对象，用于记录训练过程中的数据
   writer = SummaryWriter('logs')
   step = 0
   # 遍历数据集
   for data in dataloader:imgs, targets = data  # 获取图片和标签output = model(imgs).reshape((-1, 3, 30, 30))  # 将 9 通道输出转换为 3 通道组print(imgs.shape)  # 打印输入图片的形状print(output.shape)  # 打印输出图片的形状# 将输入图片和输出图片添加到SummaryWriter中writer.add_images('input', imgs, step)writer.add_images('output', output, step)step += 1  # 更新步数# 关闭SummaryWriter
   writer.close()
   

   数据流变化如下：

   输入: [64, 3, 32, 32] (batch, channel, height, width)
   ↓ 卷积(3→9通道)
   输出: [64, 9, 30, 30]
   ↓ reshape
   显示: [192, 3, 30, 30] (将9通道分为3组3通道图像)
   

​ 可视化后的输入与输出结果如下，原始的输入图片被拆分为 3 张输出图片：

3 池化层

3.1 池化操作

​ 池化是一种**降采样(downsampling)**操作，它通过滑动窗口在输入特征图上提取局部区域的特征值，然后根据池化类型(最大池化、平均池化等)输出该区域的代表值。

主要作用

1. 降维：减少特征图的空间尺寸，降低后续层的计算负担。
2. 特征不变性：增强模型对位置变化的鲁棒性(平移、旋转等)。
3. 防止过拟合：通过减少参数数量，抑制模型对训练数据的过度拟合。
4. 扩大感受野：使后续层能看到更广的输入区域。

常见类型

• 最大池化(Max Pooling)

  最大池化选取窗口区域内的最大值作为输出，能够保留最显著的特征。

  

• 平均池化(Average Pooling)

  计算窗口区域内的平均值，能保留整体特征但可能丢失显著特征。

  

​ 以 MaxPool2d 为例：

torch.nn.MaxPool2d（kernel_size， stride=None， padding=0， dilation=1， return_indices=False， ceil_mode=False）

• kernel_size：池化窗口大小，可以是整数（如 3 表示 3×3 窗口）或元组（如 (3, 2) 表示 3×2 窗口）。

• stride：窗口移动步长，默认等于 kernel_size。若为元组（如 (2, 1)），则分别指定高度和宽度方向的步长。

• padding：输入边缘的填充量（默认为 0），填充值为负无穷。可以是整数或元组。

• dilation：控制窗口内元素的间距（默认为 1），用于扩大感受野。

• return_indices：若为 True，返回最大值索引，用于后续反池化（如 MaxUnpool2d）。

• ceil_mode：若为 True，输出尺寸向上取整；默认为 False（向下取整）。

• 输入尺寸：$(N,C,H_{\mathrm{in}},W_{\mathrm{in}})$ 或 $(C,H_{\mathrm{in}},W_{\mathrm{in}})$。

• 输出尺寸：$(N,C,H_{\mathrm{out}},W_{\mathrm{out}})$ 或 $(C,H_{\mathrm{out}},W_{\mathrm{out}})$。

3.2 代码示例

1. 对张量池化。

   import torch
   import torchvision
   from torch import nn# 创建一个5x5的二维张量
   input = torch.tensor([[1, 2, 0, 3, 1],[0, 1, 2, 3, 1],[1, 2, 1, 0, 0],[5, 2, 3, 1, 1],[2, 1, 0, 1, 1]])
   # 将张量reshape为1x5x5的形状
   input = input.reshape((1, 5, 5))
   # 打印张量的形状
   print(input)# 定义一个自定义的模型类
   class MyModel(nn.Module):def __init__(self):super(MyModel, self).__init__()# 定义一个最大池化层，池化核大小为3，ceil_mode=True表示向上取整self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, ceil_mode=True)def forward(self, x):# 对输入张量进行最大池化操作y = self.maxpool1(x)return y# 创建模型实例
   model = MyModel()
   # 对输入张量进行前向传播
   output = model(input)
   # 打印输出张量
   print(output)
   

   工作原理：

   • 输入 5×5 矩阵，池化核大小 3×3，步幅默认为 kernel_size (即 3)。

   • 由于ceil_mode=True，输出尺寸向上取整为 2×2。

   • 计算过程：在 3×3 窗口内取最大值，然后滑动窗口。

   

2. 可视化池化操作。

   import torch
   import torchvision
   from torch import nn
   from torch.utils.data import DataLoader
   from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
   from torchvision import transforms# 加载CIFAR10数据集
   dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./dataset',  # 数据集的根目录train=False,  # 是否为训练集download=True,  # 是否下载数据集transform=transforms.ToTensor()  # 数据集的转换
   )# 创建数据加载器
   dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=64)# 定义一个自定义的模型类
   class MyModel(nn.Module):def __init__(self):super(MyModel, self).__init__()# 定义一个最大池化层，池化核大小为3，ceil_mode=True表示向上取整self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, ceil_mode=True)def forward(self, x):# 对输入张量进行最大池化操作y = self.maxpool1(x)return y# 创建模型实例
   model = MyModel()# 创建一个SummaryWriter对象，用于记录训练过程中的数据
   writer = SummaryWriter('logs')
   # 初始化step为0
   step = 0
   # 遍历dataloader中的数据
   for data in dataloader:# 获取输入图片和目标标签imgs, targets = data# 将输入图片添加到SummaryWriter中writer.add_images('input', imgs, step)# 使用模型对输入图片进行预测output = model(imgs)# 将预测结果添加到SummaryWriter中writer.add_images('output', output, step)# step加1step += 1# 关闭SummaryWriter
   writer.close()
   

   

4 非线性激活

​ 非线性激活函数是神经网络中引入非线性特性的核心组件，决定神经元是否被激活以及如何传递信息。

为什么需要非线性激活？

1. 打破线性限制：没有激活函数时，多层网络等价于单层线性变换。
2. 增强表达能力：可以逼近任意复杂函数（万能逼近定理）。
3. 实现特征分层提取：从低级特征（边缘）到高级特征（物体）的逐步抽象。

4.1 ReLU

​ 数学表达式：
$$\mathrm{ReLU}(x)=(x{)}^{+}=\max (0,x)$$

• 计算高效（无指数运算）。
• 缓解梯度消失（正区间梯度恒为 1）。
• 可能导致"神经元死亡"（负输入梯度为 0）。

4.2 Sigmoid

​ 数学表达式：
$$\mathrm{Sigmoid}(x)=\sigma (x)=\frac{1}{1+\exp (-x)}$$

• 输出范围 (0, 1)，适合概率输出。
• 存在梯度消失问题（当 |x| 较大时梯度接近 0）。
• 输出非零中心，可能影响梯度下降效率。

4.3 代码实现

​ 以 Sigmoid 为例：

import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms# 加载CIFAR10数据集
dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./dataset',  # 数据集的根目录train=False,  # 是否为训练集download=True,  # 是否下载数据集transform=transforms.ToTensor()  # 数据集的转换
)# 创建数据加载器
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=64)# 定义一个自定义的模型类
class MyModel(nn.Module):def __init__(self):super(MyModel, self).__init__()self.sigmoid1 = nn.Sigmoid()def forward(self, x):y = self.sigmoid1(x)  # 将输入x通过Sigmoid激活函数得到输出yreturn y# 创建模型实例
model = MyModel()# 创建一个SummaryWriter对象，用于记录训练过程中的数据
writer = SummaryWriter('logs')
# 初始化step为0
step = 0
# 遍历dataloader中的数据
for data in dataloader:# 获取输入图片和目标标签imgs, targets = data# 将输入图片添加到SummaryWriter中writer.add_images('input', imgs, step)# 使用模型对输入图片进行预测output = model(imgs)# 将预测结果添加到SummaryWriter中writer.add_images('output', output, step)# step加1step += 1# 关闭SummaryWriter
writer.close()

5 线性层

​ 线性层（又称全连接层，Fully Connected Layer）是神经网络中最基础的组件之一，其核心功能是通过线性变换将输入数据映射到输出空间。数学表达式为：
$$y=Wx+b$$
其中：

• $x$：输入向量，形状为 (batch_size, in_features)
• $W$：权重矩阵，形状为 (out_features, in_features)
• $b$：偏置向量，形状为 (out_features,)
• $y$：输出向量，形状为 (batch_size, out_features)

作用

1. 特征变换：将高维输入（如图像展平后的像素值）映射到低维输出（如类别概率），实现特征降维或升维。
2. 线性组合：通过权重矩阵 $W$ 学习输入特征之间的线性关系，偏置 $b$ 提供平移灵活性。
3. 与其他层配合：通常与非线性激活函数（如 ReLU）结合，增强模型的表达能力。

特性	说明
权重共享	同一批次的所有样本共享相同的 $W$ 和 $b$。
自动求导	PyTorch 自动计算梯度，支持反向传播优化 $W$ 和 $b$。
多维输入支持	输入可以是任意维度，线性层仅对最后一维变换（如 (N,C,H,W) → (N,C,H,out_features)）

代码示例

import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms# 加载CIFAR10数据集
dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./dataset',  # 数据集的根目录train=False,  # 是否为训练集download=True,  # 是否下载数据集transform=transforms.ToTensor()  # 数据集的转换
)# 创建数据加载器
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=64, drop_last=True)# 定义一个自定义的模型类
class MyModel(nn.Module):def __init__(self):super(MyModel, self).__init__()self.linear1 = nn.Linear(196608 // 64, 10)def forward(self, x):y = self.linear1(x)return y# 创建模型实例
model = MyModel()# 创建一个SummaryWriter对象，用于记录训练过程中的数据
writer = SummaryWriter('logs')
# 初始化step为0
step = 0
# 遍历dataloader中的数据
for data in dataloader:# 获取输入图片和目标标签imgs, targets = data# 将输入图片添加到SummaryWriter中writer.add_images('input', imgs, step)# 使用模型对输入图片进行预测output = model(imgs.reshape(64, 1, 1, -1))# 将预测结果添加到SummaryWriter中writer.add_images('output', output, step)# step加1step += 1# 关闭SummaryWriter
writer.close()

6 使用 Sequential

​ nn.Sequential 是 PyTorch 中的一个容器模块，用于按顺序组织多个子模块（如神经网络层）。它简化了模型的构建过程，适用于线性堆叠的网络结构。

• 顺序执行：nn.Sequential中的模块按定义的顺序依次执行，前一层的输出自动作为下一层的输入。
• 简化代码：无需在 forward 方法中显式调用每一层，只需调用 Sequential 实例即可。

6.1 直接传入模块列表

​ 直接按顺序传入神经网络层，输入数据会依次通过这些层。

​ 模块按顺序编号（如 model1[0] 表示第一层）。

self.model1 = nn.Sequential(nn.Conv2d(3, 32, 5, padding=2),nn.MaxPool2d(2),nn.Conv2d(32, 32, 5, padding=2),# ... 其他层
)print(model[0])   # 通过索引访问

6.2 使用 OrderedDict 命名层

​ 可通过名字访问特定层（如 model1.conv1）。

from collections import OrderedDictself.model1 = nn.Sequential(OrderedDict([('conv1', nn.Conv2d(3, 32, 5, padding=2)),('pool1', nn.MaxPool2d(2)),# ... 其他层
]))print(model.conv1)  # 通过名称访问

6.3 代码示例

​ 以 CIFAR10 模型为例：

（1）输入 input 是 3 个通道的 32×32 大小的数据，该模型输入为 CIFAR10。
（2）经过一个 5×5 的 kernelsize 的卷积，变成 32 通道的 32×32 的大小。通道变成 32 是因为用了 32 个 3@5×5 的卷积核，每一个卷积核生成一个输出通道。输出通道数 32 表示卷积核的数量，每个卷积核会提取一种独特的特征（如边缘、纹理等）。32 个卷积核意味着生成 32 个不同的特征图，从而增强模型对输入特征的表达能力。
（3）经过一个最大池化，尺寸减半为 32 通道的 16×16 大小（最大池化不改变通道数）。
（4）经过一次卷积，通道数和尺寸不变，还是 32@16×16。
（5）经过一次最大池化，尺寸减半为 32 通道的 8×8 大小。
（6）经过一次卷积，通道数变为 64，尺寸不变。
（7）经过一次最大池化，尺寸减半为 64 通道的 4×4 大小。
（8）Flatten 展开为 64@4×4 大小的 64 通道的 1 行（4×4 方队变 1 行长队伍）。
（9）通过全连接层把输出变为 10（cifar10 有 10 个类）。

代码示例：

from collections import OrderedDictimport torch
from torch import nn
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriterclass MyModel(nn.Module):def __init__(self):super(MyModel, self).__init__()self.model1 = nn.Sequential(OrderedDict([('conv1', nn.Conv2d(3, 32, 5, padding=2)),('maxpool1', nn.MaxPool2d(2)),('conv2', nn.Conv2d(32, 32, 5, padding=2)),('maxpool2', nn.MaxPool2d(2)),('conv3', nn.Conv2d(32, 64, 5, padding=2)),('maxpool3', nn.MaxPool2d(2)),('flatten', nn.Flatten()),('linear1', nn.Linear(64 * 4 * 4, 64)),('linear2', nn.Linear(64, 10))]))def forward(self, x):x = self.model1(x)return xmodel = MyModel()
print(model)input = torch.ones(64, 3, 32, 32)
output = model(input)
print(output.shape)

使用 tensorboard 可视化：

writer = SummaryWriter('logs')
writer.add_graph(model, input)
writer.close()