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零基础-动手学深度学习-7.7 稠密连接网络（DenseNet）

news 2025/7/30 6:12:33

ResNet极大地改变了如何参数化深层网络中函数的观点。 稠密连接网络（DenseNet）在某种程度上是ResNet的逻辑扩展。让我们先从数学上了解一下。

7.7.1. 从ResNet到DenseNet

7.7.2. 稠密块体

DenseNet使用了ResNet改良版的“批量规范化、激活和卷积”架构（参见 7.6节中的练习）。我们首先实现一下这个架构：

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l#BN层-激活层-卷积层
def conv_block(input_channels, num_channels):return nn.Sequential(nn.BatchNorm2d(input_channels), nn.ReLU(),nn.Conv2d(input_channels, num_channels, kernel_size=3, padding=1))

一个稠密块由多个卷积块组成，每个卷积块使用相同数量的输出通道。然而，在前向传播中，我们将每个卷积块的输入和输出在通道维上连结。

class DenseBlock(nn.Module):def __init__(self, num_convs, input_channels, num_channels):super(DenseBlock, self).__init__()layer = []for i in range(num_convs):layer.append(conv_block(num_channels * i + input_channels, num_channels))#具体的稠密是在这里
#类似于一个累加的等差序列求和self.net = nn.Sequential(*layer)def forward(self, X):for blk in self.net:Y = blk(X)# 连接通道维度上每个块的输入和输出X = torch.cat((X, Y), dim=1)return X

在下面的例子中，我们定义一个有2个输出通道数为10的DenseBlock。使用通道数为3的输入时，我们会得到通道数为3+2*10=23的输出。卷积块的通道数控制了输出通道数相对于输入通道数的增长，因此也被称为增长率（growth rate）。

验证一下：

blk = DenseBlock(2, 3, 10)
X = torch.randn(4, 3, 8, 8)
Y = blk(X)
Y.shape输出：torch.Size([4, 23, 8, 8])

7.7.3. 过渡层

由于每个稠密块都会带来通道数的增加，使用过多则会过于复杂化模型。而过渡层可以用来控制模型复杂度。它通过1*1卷积层来减小通道数，并使用步幅为2的平均汇聚层减半高和宽，从而进一步降低模型复杂度。(这里用的是平均而不是最大池化因为这里本身过渡层就是为了过渡保留背景信息而不是筛选，题主个人认为，但是下面人的讨论好像acc没有什么变化，这下还是神经网络的不可解释性了)

def transition_block(input_channels, num_channels):return nn.Sequential(nn.BatchNorm2d(input_channels), nn.ReLU(),nn.Conv2d(input_channels, num_channels, kernel_size=1),nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2))

对上一个例子中稠密块的输出使用通道数为10的过渡层。此时输出的通道数减为10，高和宽均减半。

blk = transition_block(23, 10)
blk(Y).shape输出：
torch.Size([4, 10, 4, 4])

7.7.4. DenseNet模型

我们来构造DenseNet模型。DenseNet首先使用同ResNet一样的单卷积层和最大汇聚层：

b1 = nn.Sequential(nn.Conv2d(1, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3),nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(),nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1))

接下来，类似于ResNet使用的4个残差块，DenseNet使用的是4个稠密块。与ResNet类似，我们可以设置每个稠密块使用多少个卷积层。这里我们设成4，从而与 7.6节的ResNet-18保持一致。稠密块里的卷积层通道数（即增长率）设为32，所以每个稠密块将增加128个通道。

在每个模块之间，ResNet通过步幅为2的残差块减小高和宽，DenseNet则使用过渡层来减半高和宽，并减半通道数。

# num_channels为当前的通道数
num_channels, growth_rate = 64, 32
num_convs_in_dense_blocks = [4, 4, 4, 4]
blks = []
for i, num_convs in enumerate(num_convs_in_dense_blocks):blks.append(DenseBlock(num_convs, num_channels, growth_rate))# 上一个稠密块的输出通道数num_channels += num_convs * growth_rate# 在稠密块之间添加一个转换层，使通道数量减半if i != len(num_convs_in_dense_blocks) - 1:blks.append(transition_block(num_channels, num_channels // 2))num_channels = num_channels // 2

与ResNet类似，最后接上全局汇聚层和全连接层来输出结果。

net = nn.Sequential(b1, *blks,nn.BatchNorm2d(num_channels), nn.ReLU(),nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)),nn.Flatten(),nn.Linear(num_channels, 10))

7.7.5. 训练模型

由于这里使用了比较深的网络，本节里我们将输入高和宽从224降到96来简化计算。

lr, num_epochs, batch_size = 0.1, 10, 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=96)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())输出：
5626.3 examples/sec on cuda:0
loss 0.140, train acc 0.948, test acc 0.885