PyTorch学习笔记-神经网络Torch.NN基本骨架的使用及卷积原理

1. torch.nn.Module介绍

torch.nn 能够帮助我们更优雅地训练神经网络，使神经网络代码更加简洁和灵活。官方文档：Torch.NN。

在文档中可以看到第一块内容叫做 Container（容器），这就相当于神经网络的骨架，Container 之后的东西就用于往骨架里面填充，如 Convolution Layers（卷积层）、Pooling Layers（池化层），有卷积神经网络基础的小伙伴对这些词应该都很熟悉了。

Container 中有六个模块：Module、Sequential、ModuleList、ModuleDict、ParameterList、ParameterDict，其中最常用的为 Module，这是所有神经网络的最基本的类，其基本的构造方式如下：

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Model(nn.Module):
    def __init__(self):  # 初始化
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 20, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(20, 20, 5)

    def forward(self, x):  # 前向传播
        x = F.relu(self.conv1(x))  # 将 x 进行第一层卷积后用 ReLU 激活函数输出
        return F.relu(self.conv2(x))  # 将处理后的 x 再进行第二层卷积后用 ReLU 处理后返回最后结果

现在我们尝试自己创建一个简单的神经网络，并输出前向传播的结果：

import torch
import torch.nn as nn

class Network(nn.Module):
    def __init__(self):  # 初始化
        super(Network, self).__init__()

    def forward(self, input):
        output = input + 1
        return output

network = Network()
x = torch.tensor(1.0)  # x 为 tensor 类型
output = network(x)  # Module 中的 __call__ 函数会调用 forward 函数
print(output)  # tensor(2.)

2. 卷积神经网络原理

卷积神经网络（CNN）中的卷积运算相当于图像处理中的“滤波器运算”。对于输入数据，卷积运算以一定间隔（步长）滑动滤波器（卷积核）的窗口并应用。如下图所示，将各个位置上滤波器的元素和输入的对应元素相乘，然后再求和（有时将这个计算称为乘积累加运算）。然后，将这个结果保存到输出的对应位置。将这个过程在所有位置都进行一遍，就可以得到卷积运算的输出：

在这里插入图片描述

在全连接的神经网络中，除了权重参数，还存在偏置。CNN 中，滤波器的参数就对应之前的权重。并且，CNN 中也存在偏置。包含偏置的卷积运算的处理流如下图所示：

在这里插入图片描述

关于卷积神经网络更详细的讲解可以转至：【学习笔记】深度学习入门：基于Python的理论与实现。

现在，我们回到 PyTorch 上，我们以 Conv2d 函数为例，该函数的官方文档：TORCH.NN.FUNCTIONAL.CONV2D。

该函数有以下几个参数：

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input：输入的图像，size 为 (mini_batch, in_channels, height, width)。
weight：卷积核的大小，size 为 (out_channels, in_channels/groups, height, width)。
bias：偏置，默认为 None。
stride：步长，用来控制卷积核移动间隔，如果为 x 则水平和竖直方向的步长都为 x，如果为 (x, y) 则竖直方向步长为 x，水平方向步长为 y。
padding：在输入图像的边沿进行扩边操作，以保证图像输入输出前后的尺寸大小不变，在 PyTorch 的卷积层定义中，默认的 padding 为零填充，即在边缘填充0。
padding_mode：扩边的方式。
dilation：设定了取数之间的间隔。

例如：

import torch
import torch.nn.functional as F

input = torch.tensor([
    [1, 2, 3, 0],
    [0, 1, 2, 3],
    [3, 0, 1, 2],
    [2, 3, 0, 1]
])

kernel = torch.tensor([
    [2, 0, 1],
    [0, 1, 2],
    [1, 0, 2]
])

input = torch.reshape(input, (1, 1, 4, 4))  # batch_size = 1，channel = 1
kernel = torch.reshape(kernel, (1, 1, 3, 3))

output = F.conv2d(input, kernel, stride=1)
print(output)
# tensor([[[[15, 16],
#           [ 6, 15]]]])

output = F.conv2d(input, kernel, stride=1, bias=torch.tensor([3]))  # 注意 bias 必须也是矩阵
print(output)
# tensor([[[[18, 19],
#           [ 9, 18]]]])