PyTorch 中模型测试与全局平均池化的应用总结

在深度学习模型的训练与评估流程中，模型测试和 ** 网络结构优化（如全局平均池化的应用）** 是关键环节。结合 PyTorch 框架，可从以下两方面分析：

一、模型测试：整体与类别级准确率评估

模型训练完成后，需在测试集上评估性能。PyTorch 中通常通过以下步骤实现精准的性能分析：

1. 整体准确率计算：

   • 用torch.no_grad()关闭梯度计算，避免测试时不必要的内存消耗。
   • 遍历测试数据集加载器（testloader），将图像与标签迁移至目标设备（CPU/GPU，通过to(device)完成）。
   • 模型前向传播（net(images)）得到输出后，通过torch.max(outputs.data, 1)提取预测类别（predicted）。
   • 统计总样本数（total）与预测正确的样本数（correct），最终计算整体准确率（100 * correct / total），快速判断模型整体泛化能力。

2. 类别级准确率分析：为细致探究模型在每个类别上的表现，需逐类统计准确率：

   • 初始化两个长度为类别数（如 CIFAR-10 的 10 类）的列表class_correct（记录每类预测正确的样本数）和class_total（记录每类总样本数）。
   • 遍历测试数据时，逐一对每个样本的预测结果与真实标签进行比对，通过标签索引更新对应类别的class_correct和class_total。
   • 最后逐类计算准确率（100 * class_correct[i] / class_total[i]），可清晰发现模型在不同类别上的性能差异（如图中 “car” 类准确率达 82%，“cat” 类仅 45%），为后续优化提供方向。

二、全局平均池化：简化网络与减少参数

传统 CNN 常依赖全连接层（FC）连接卷积层与输出层，但全连接层参数多、易过拟合。** 全局平均池化（Global Average Pooling, GAP）** 是优化网络结构的有效手段：

1. 原理与优势：全局平均池化会对每个卷积层输出的特征图（feature map）做 “全局平均”，得到一个与 “特征图数量” 相等的向量。例如，若卷积层输出 36 个特征图，GAP 后会得到长度为 36 的向量。相比全连接层，GAP 的核心优势是：

   • 减少参数数量：避免全连接层大量权重参数，降低过拟合风险，同时减少计算开销。
   • 简化维度匹配：无需手动计算全连接层的输入维度（输出向量长度由特征图数量直接决定），让网络设计更简洁。

2. PyTorch 实现与效果：图中通过torch.nn.AdaptiveAvgPool2d(1)实现全局平均池化（输出尺寸为1×1）。修改后的Net类移除了原有的全连接层（如注释的self.fc1），替换为 “卷积层→全局平均池化→小型全连接层（self.fc3）” 的结构。从参数总数（通过sum(x.numel() for x in net.parameters())统计）可见，采用 GAP 后模型参数显著减少（图中为 16022 个），网络结构更简洁且泛化能力更强。

综上，模型测试帮助我们从 “整体” 和 “类别级” 全面评估性能，全局平均池化则是优化网络结构、提升泛化能力的关键手段，二者共同支撑深度学习模型的迭代与优化。