深度学习VGG16网络构建（Pytorch代码从零到一精讲，帮助理解网络的参数定义）

knighthood2001 2024-06-30 15:07:04 阅读 87

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vgg16网络架构

前言

很多时候，对于一些网络结构，我们总是会看到其对应的图片，但是代码部分，讲的人不是很多。

比如，下面这两张图片，就是讲解VGG16的博客或者视频中经常能够看到的。

在这里插入图片描述

下面这张图片的D类型是VGG16架构，E类型是VGG19

在这里插入图片描述

初次见到这种图片，其实不是特别清楚，就导致很多人对网络结构其实不是那么清楚。

比如，conv3-64是啥意思等等。

因此，我接下来打算使用pytorch代码进行讲解。尤其是对于构造网络时候的参数，需要一步一步计算后，才会有比较清晰的理解。

图片讲解

从上面两张图片，可以看出网络结构：

卷积层(+relu激活函数)

最大池化层

卷积层(+relu激活函数)

最大池化层

卷积层(+relu激活函数)

最大池化层

卷积层(+relu激活函数)

最大池化层

卷积层(+relu激活函数)

最大池化层

全连接层(+relu激活函数)

全连接层

除去最大池化层，刚好16层（relu激活函数不算层数）。

数据维度讲解（含代码）

搞清楚层数后，接着开始看数据维度。

对于VGG16这样的经典模型，其设计是基于224x224大小的输入图像的。这个尺寸不是随意确定的，而是经过仔细考虑和实验确定的。因此这里暂时先不考虑更改成其他数据。

首先，输入图像维度是224*224*3，图片大小是224*224，通道数是3。

输出图像维度是224*224*64，图片大小是224*224，通道数是64。

至于卷积核，说是3*3的（这个我也不知道从哪里看的，可能需要去看原作者的论文）。

至于padding：

在卷积神经网络中，padding（填充）是指在输入图像周围添加额外的像素，以便在进行卷积操作时可以保持输入和输出的尺寸相同或者更接近。padding='same'是一种常见的填充方式，它的含义是将输入的每一侧都填充足够的零值，以使输出与输入的尺寸相同。

通常图像大小的计算公式是，假设输入图像的大小为NxN，卷积核的大小为FxF，如果没有填充（padding=‘valid’），则输出图像的大小为(N-F+1)x(N-F+1)。而如果进行了填充（padding=‘same’），则在输入图像的周围填充了P个像素，使得输出图像的大小变为N+2P。

使用padding='same'填充时，通常选择填充的数量P，使得输出图像的大小与输入图像的大小相同。这样做有助于在卷积操作中保持输入输出尺寸的一致性，同时有助于减少信息丢失。

第一层

在224*224图像中，卷积核为3*3，如果没有在周围填充，那么最后的输出图像大小就是(224-3+1)*(224-3+1)=222*222，就和原来输入图像大小不相同了。

如果padding=1，则在224*224图像外围添加1个单位的行和列。最终图片就变成了226*226，在利用上面的公式，对于卷积核为3*3，最终输出图像大小就是(226-3+1)*(226-3+1)=224*224，和原始图片大小一样，保证了图像大小的一致性。

因此VGG16网络的第一层就是这样：

self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1)

self.relu1 = nn.ReLU(inplace=True)

注意，激活函数不会改变数据的维度。

数据维度变化：224*224*3->224*224*64

第二层

对于第二层，其图像大小就是第一层输出的图像大小，为224*224，其输入通道就是第一层的输出通道，为64，输出通道为64。因此第二层代码如下：

self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3, padding=1)

self.relu2 = nn.ReLU(inplace=True)

数据维度变化：224*224*64->224*224*64

池化层1

接着，就到了一个最大池化层：

最大池化层（Max Pooling Layer）是卷积神经网络中常用的一种池化操作。在最大池化层中，通过在每个池化窗口中选择最大值来减小特征图的尺寸。最大池化层通常用于减少特征图的空间维度，从而降低模型的计算量，同时保留重要的特征。

最大池化层的工作原理如下：

首先，将输入特征图划分为不重叠的矩形区域（池化窗口）。对于每个池化窗口，从窗口内提取出一个值，通常是窗口内的最大值（即最大池化）。最终，输出的特征图尺寸减小，但保留了最显著的特征。

最大池化层具有以下几个重要的参数：

池化窗口大小：确定了每次池化操作中提取的区域大小。步长（stride）：确定了池化窗口在输入特征图上滑动的步长。填充（padding）：可选参数，用于控制在特征图周围是否进行填充操作。

最大池化层通常用于卷积神经网络的不同层次，可以帮助网络在保持重要特征的同时降低维度，提高计算效率。

在VGG16中，最大池化层的池化窗口大小是2，步长也是2。且不会改变通道数。

由于池化窗口=2，因此如果步长是1的话，就在2*2的数据区域内选择1个最大值，然后以1为间隔平移。最后数据变化应该是数据维度变化：224*224*64->(224-2+1)*(224-2+1)*64也就是(223*223*64

但是如果池化窗口大小是2，步长也是2，那么每次移动2格子，刚好使得图像大小减半，使得数据维度变化：224*224*64->112*112*64

self.max_pooling1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

数据维度变化：224*224*64->112*112*64

第三层

经过最大池化层后，数据维度已经变成112*112*64，查看VGG16架构图，我们看到第三个卷积层，需要将其通道数变成128。并且图像大小不发生改变，因此这里当kernel_size=3时候padding=1。

上面的数据维度转换，我讲了很多，目的就是带着大家一起感受维度的变化，因为神经网络本质就是矩阵运算，一旦出现维度的不同，就会报错。

self.conv3 = nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, padding=1)

self.relu3 = nn.ReLU(inplace=True)

数据维度变化：112*112*64->112*112*128

第四层

经过第三层时，数据维度已经变成112*112*128，查看VGG16架构图，我们看到第四个卷积层其通道数还是128。因此代码没什么变化，就是把输入通道数改成第三层的输出通道数，也就是128。

self.conv4 = nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=3, padding=1)

self.relu4 = nn.ReLU(inplace=True)

数据维度变化：112*112*128->112*112*128

池化层2

经过第四层时，数据维度已经变成112*112*128，因此当经过kernel_size=2, stride=2的最大池化层时候，图片大小减半，通道数不变

self.max_pooling2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

数据维度变化：112*112*128->56*56*128

第五层

经过最大池化层后，数据维度已经变成56*56*128，查看VGG16架构图，我们看到第五个卷积层，需要将其通道数变成256。并且图像大小不发生改变，因此这里当kernel_size=3时候padding=1。

self.conv5 = nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, padding=1)

self.relu5 = nn.ReLU(inplace=True)

数据维度变化：56*56*128->56*56*256

第六层~第七层

经过第五层时，数据维度已经变成56*56*256，查看VGG16架构图，我们看到第六个和第七个卷积层其通道数还是256。因此代码如下（这里我把两个层不单独讲了，大家也能看懂了吧）

self.conv6 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1)

self.relu6 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv7 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1)

self.relu7 = nn.ReLU(inplace=True)

数据维度变化：56*56*256->56*56*256->56*56*256

池化层3

经过第七层时，数据维度已经变成56*56*256，因此当经过kernel_size=2, stride=2的最大池化层时候，图片大小减半，通道数不变。

self.max_pooling3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

数据维度变化：56*56*256->28*28*256

剩余的卷积层和池化层

请允许我偷个懒，剩余的卷积层和池化层的代码如下：

self.conv8 = nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu8 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv9 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu9 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv10 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu10 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling4 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

self.conv11 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu11 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv12 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu12 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv13 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu13 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling5 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

卷积层中的kernel_size=3, padding=1，目的还是为了保证图片大小不会改变，最大池化层的kernel_size=2, stride=2，目的是为了让图片的宽高减半。

因此

第八层数据维度变化：28*28*256->28*28*512

第九层数据维度变化：28*28*512->28*28*512

第十层数据维度变化：28*28*512->28*28*512

池化层4数据维度变化：28*28*512->14*14*512

第十一层数据维度变化：14*14*512->14*14*512

第十二层数据维度变化：14*14*512->14*14*512

第十三层数据维度变化：14*14*512->14*14*512

池化层5数据维度变化：14*14*512->7*7*512

第十四层(全连接层)~第十六层

经过上面13层，数据维度已经变成7*7*512了，如果需要连接全连接层，就需要将数据展平。

x = x.view(-1, 512*7*7)

上面的-1表示，会根据总的数据量和第二个占有的数据量大小，计算一个合适的值。

在 PyTorch 中，当你使用 .view() 函数对张量进行形状变换时，可以用 -1 来表示一个特殊的值，它表示该维度的大小由函数自动推断而来，以保证张量的总元素数不变。

具体来说，对于输入张量 x，如果你使用 x.view(-1, 512*7*7) 进行形状变换，其中 -1 的位置表示 PyTorch 应该根据其他维度和张量的总元素数来自动计算该维度的大小。

举个例子，假设输入张量 x 的形状是 (B, C, H, W)，其中 B 表示批量大小，C 表示通道数，H 表示高度，W 表示宽度。假设在这之前的处理中，已经得到了一个形状为 (B, 512, 7, 7) 的张量 x。如果使用 x.view(-1, 512*7*7)，PyTorch 将会自动计算出第一个维度的大小，以确保总元素数不变，也就是保证张量的批量大小 B 不变。

因此，x.view(-1, 512*7*7) 的作用是将输入张量 x 在第一个维度上重新调整为 -1 所代表的大小（由其他维度和张量的总元素数来确定），并且将后三个维度展平成一维。

因此，根据这一步，就将数据维度变成1*(512*7*7)=1*25088，当然这里的1，说的不太准确，准确来说应该是批数，因为卷积层的第一个参数是批数。下面我还是用1来表示吧，方便理解哈。

# 全连接层部分

self.fc1 = nn.Linear(512 * 7 * 7, 4096)

self.relu14 = nn.ReLU(inplace=True)

self.fc2 = nn.Linear(4096, 4096)

self.relu15 = nn.ReLU(inplace=True)

self.dropout = nn.Dropout(),

self.fc3 = nn.Linear(4096, 1000)

全连接层1的数据维度变化：1*(512*7*7)=1*25088->1*4096

全连接层2的数据维度变化：1*4096->1*4096

全连接层3的数据维度变化：1*4096->1*1000

其中的nn.Dropout()现在还不需要了解，是正则化，用来防止过拟合的。

最后，如果输入数据是1*3*224*224，经过VGG16网络，输出就是1*1000；

如果输入数据是2*3*224*224，经过VGG16网络，输出就是2*1000。这就是我说的批数变化。

全部代码

大家这里不要忘记在全连接层后面加上softmax激活函数。这里我就不加了。

不用nn.Sequential()

import torch

import torch.nn as nn

import numpy as np

# 定义VGG16网络类

class VGG16(nn.Module):

def __init__(self):

super(VGG16, self).__init__()

# 卷积层部分

self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1)

self.relu1 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3, padding=1)

self.relu2 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

self.conv3 = nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, padding=1)

self.relu3 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv4 = nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=3, padding=1)

self.relu4 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

self.conv5 = nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, padding=1)

self.relu5 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv6 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1)

self.relu6 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv7 = nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1)

self.relu7 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

self.conv8 = nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu8 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv9 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu9 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv10 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu10 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling4 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

self.conv11 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu11 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv12 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu12 = nn.ReLU(inplace=True)

self.conv13 = nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1)

self.relu13 = nn.ReLU(inplace=True)

self.max_pooling5 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

# 全连接层部分

self.fc1 = nn.Linear(512 * 7 * 7, 4096)

self.relu14 = nn.ReLU(inplace=True)

self.fc2 = nn.Linear(4096, 4096)

self.relu15 = nn.ReLU(inplace=True)

self.dropout = nn.Dropout(),

self.fc3 = nn.Linear(4096, 1000)

# 前向传播函数

def forward(self, x):

x = self.conv1(x)

x = self.relu1(x)

x = self.conv2(x)

x = self.relu2(x)

x = self.max_pooling1(x)

x = self.conv3(x)

x = self.relu3(x)

x = self.conv4(x)

x = self.relu4(x)

x = self.max_pooling2(x)

x = self.conv5(x)

x = self.relu5(x)

x = self.conv6(x)

x = self.relu6(x)

x = self.conv7(x)

x = self.relu7(x)

x = self.max_pooling3(x)

x = self.conv8(x)

x = self.relu8(x)

x = self.conv9(x)

x = self.relu9(x)

x = self.conv10(x)

x = self.relu10(x)

x = self.max_pooling4(x)

x = self.conv11(x)

x = self.relu11(x)

x = self.conv12(x)

x = self.relu12(x)

x = self.conv13(x)

x = self.relu13(x)

x = self.max_pooling5(x)

print(x.shape)

x = x.view(-1, 512*7*7)

print(x.shape)

x = self.fc1(x)

x = self.relu14(x)

x = self.fc2(x)

x = self.relu15(x)

x = self.fc3(x)

return x

# 生成随机的224x224x3大小的数据

if __name__ == '__main__':

random_data = np.random.rand(1, 3, 224, 224) # 调整数据形状为 (batch_size, channels, height, width)

random_data_tensor = torch.from_numpy(random_data.astype(np.float32)) # 将NumPy数组转换为PyTorch的Tensor类型，并确保数据类型为float32

print("输入数据的数据维度", random_data_tensor.size()) # 检查数据形状是否正确

# 创建VGG16网络实例

vgg16 = VGG16()

output = vgg16(random_data_tensor)

print("输出数据维度", output.shape)

print(output)

使用nn.Sequential()

看看上面的代码，是不是觉得光定义网络就要好多代码写。

import torch

import torch.nn as nn

import numpy as np

# 定义VGG16网络类

class VGG16(nn.Module):

def __init__(self, num_classes=1000):

super(VGG16, self).__init__()

# 卷积层部分

self.features = nn.Sequential(

nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),

nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),

nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),

nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),

nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, padding=1),

nn.ReLU(inplace=True),