神经网络中关于各层参数的分析

神经网络中不管是卷积层还是线性层的参数都是一个高维的矩阵向量,包括weightbias,之前的时候一直关注的是数据和填入的参数大小,本文来分析一下每个层参数的shape以及如何自定义初始化各层的参数

1. 各层参数的 shape

1)线性层参数shape

import torch

# 线性层的权重weight是一个二维矩阵(输出特征数*输入特征数)
# 线性层的权重bias是一个一维向量 size = 输出特征的长度

fc1 = torch.nn.Linear(10, 512)
print("fc1.weight.data.size() = ", fc1.weight.data.size())

# 输出:
fc1.weight.data.size() =  torch.Size([512, 10])
fc1.bias.data.size() =  torch.Size([512])

2)卷积层参数shape
当我们定义好卷积核的尺寸之后,神经网络就自动帮我们进行卷积运算,但是实际上我们是不知道在实际卷积运算当中,卷积核的个数和每个卷积核的通道数量。

# 卷积核通道数 = 卷积输入数据的通道数
# 卷积核的个数 = 卷积层输出的通道数 
import torch

# 2d卷积层的权重weight是一个四维的向量(输出通道数*输入通道数*卷积核size_1*卷积核size_2)
# 2d卷积层的权重bias是一个一维的向量 size = 输出通道数

conv1 = torch.nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=8, kernel_size=(3, 16))
print("conv1.weight.data.size() = ", conv1.weight.data.size())
print("conv1.bias.data.size() = ", conv1.bias.data.size())

# 输出
conv1.weight.data.size() =  torch.Size([8, 1, 3, 16])
conv1.bias.data.size() =  torch.Size([8])

3)BN层参数shape

import torch

# BN层的权重weight是一个一维向量 size = num_features
# BN层的权重bias是一个一维向量 size = num_features

bn1 = torch.nn.BatchNorm2d(64)
print("bn1.weight.data.size() = ", bn1.weight.data.size())
print("bn1.bias.data.size() = ", bn1.bias.data.size())

# 输出
bn1.weight.data.size() =  torch.Size([64])
bn1.bias.data.size() =  torch.Size([64])

4)池化层和Relu层是没有参数的

2. 打印整个神经网络各层的参数量


import torch
import torch.nn as nn
# 使用的是torchsummary提供的summary方法
from torchsummary import summary

# 定义的神经网络
class Module(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Module, self).__init__()
        
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 10, kernel_size=3, padding=1, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(10)
        self.maxPooling = nn.MaxPool2d(2)
        self.fc = nn.Linear(640, 10)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.maxPooling(x)
        x = self.bn(x)
        x = self.relu(x)

        # Flatten data from (64, 10, 8, 8) to (64,640)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fc(x)
        return x

if __name__ == '__main__':
    model = Module()
    summary(model, input_size=(3, 16, 16), batch_size=-1)

输出结果:

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1           [-1, 10, 16, 16]             270
         MaxPool2d-2             [-1, 10, 8, 8]               0
       BatchNorm2d-3             [-1, 10, 8, 8]              20
              ReLU-4             [-1, 10, 8, 8]               0
            Linear-5                   [-1, 10]           6,410
================================================================
Total params: 6,700
Trainable params: 6,700
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.00
Forward/backward pass size (MB): 0.03
Params size (MB): 0.03
Estimated Total Size (MB): 0.06
----------------------------------------------------------------

3. 自定义神经网络每层的参数

了解了每层的参数量和参数shape,就可以自己指定神经网络的参数值

class Module(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Module, self).__init__()
        
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 10, kernel_size=3, padding=1, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(10)
        self.maxPooling = nn.MaxPool2d(2)
        self.fc = nn.Linear(640, 10)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        # 调用参数初始化方法指定参数值
        self._model_param_init()

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.maxPooling(x)
        x = self.bn(x)
        x = self.relu(x)

        # Flatten data from (64, 10, 8, 8) to (64,640)
        x = x.view(x.size(0), -1)

        x = self.fc(x)
        return x

    def _model_param_init(self):
        self.conv1.weight.data = torch.arange(270).reshape(10, 3, 3, 3)
        # self.conv1.bias.data = torch.arrange(270).reshape(10, 3, 3, 3)
        self.bn.weight.data = torch.arange(10)
        self.bn.bias.data = torch.arange(10)

        self.fc.weight.data = torch.arange(6400).reshape(10, 640)
        self.fc.bias.data = torch.arange(10)

if __name__ == '__main__':
    model = Module()
    for name, parameters in model.named_parameters():
        print(name, ':', parameters)
        print("\n")

输出结果:

conv1.weight : Parameter containing:
tensor([[[[  0,   1,   2],
          [  3,   4,   5],
          [  6,   7,   8]],

         [[  9,  10,  11],
          [ 12,  13,  14],
          [ 15,  16,  17]],

         [[ 18,  19,  20],
          [ 21,  22,  23],
          [ 24,  25,  26]]],


        [[[ 27,  28,  29],
          [ 30,  31,  32],
          [ 33,  34,  35]],

         [[ 36,  37,  38],
          [ 39,  40,  41],
          [ 42,  43,  44]],

         [[ 45,  46,  47],
          [ 48,  49,  50],
          [ 51,  52,  53]]],


        [[[ 54,  55,  56],
          [ 57,  58,  59],
          [ 60,  61,  62]],

         [[ 63,  64,  65],
          [ 66,  67,  68],
          [ 69,  70,  71]],

         [[ 72,  73,  74],
          [ 75,  76,  77],
          [ 78,  79,  80]]],


        [[[ 81,  82,  83],
          [ 84,  85,  86],
          [ 87,  88,  89]],

         [[ 90,  91,  92],
          [ 93,  94,  95],
          [ 96,  97,  98]],

         [[ 99, 100, 101],
          [102, 103, 104],
          [105, 106, 107]]],


        [[[108, 109, 110],
          [111, 112, 113],
          [114, 115, 116]],

         [[117, 118, 119],
          [120, 121, 122],
          [123, 124, 125]],

         [[126, 127, 128],
          [129, 130, 131],
          [132, 133, 134]]],


        [[[135, 136, 137],
          [138, 139, 140],
          [141, 142, 143]],

         [[144, 145, 146],
          [147, 148, 149],
          [150, 151, 152]],

         [[153, 154, 155],
          [156, 157, 158],
          [159, 160, 161]]],


        [[[162, 163, 164],
          [165, 166, 167],
          [168, 169, 170]],

         [[171, 172, 173],
          [174, 175, 176],
          [177, 178, 179]],

         [[180, 181, 182],
          [183, 184, 185],
          [186, 187, 188]]],


        [[[189, 190, 191],
          [192, 193, 194],
          [195, 196, 197]],

         [[198, 199, 200],
          [201, 202, 203],
          [204, 205, 206]],

         [[207, 208, 209],
          [210, 211, 212],
          [213, 214, 215]]],


        [[[216, 217, 218],
          [219, 220, 221],
          [222, 223, 224]],

         [[225, 226, 227],
          [228, 229, 230],
          [231, 232, 233]],

         [[234, 235, 236],
          [237, 238, 239],
          [240, 241, 242]]],


        [[[243, 244, 245],
          [246, 247, 248],
          [249, 250, 251]],

         [[252, 253, 254],
          [255, 256, 257],
          [258, 259, 260]],

         [[261, 262, 263],
          [264, 265, 266],
          [267, 268, 269]]]], requires_grad=True)


bn.weight : Parameter containing:
tensor([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], requires_grad=True)


bn.bias : Parameter containing:
tensor([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], requires_grad=True)


fc.weight : Parameter containing:
tensor([[   0,    1,    2,  ...,  637,  638,  639],
        [ 640,  641,  642,  ..., 1277, 1278, 1279],
        [1280, 1281, 1282,  ..., 1917, 1918, 1919],
        ...,
        [4480, 4481, 4482,  ..., 5117, 5118, 5119],
        [5120, 5121, 5122,  ..., 5757, 5758, 5759],
        [5760, 5761, 5762,  ..., 6397, 6398, 6399]], requires_grad=True)


fc.bias : Parameter containing:
tensor([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], requires_grad=True)
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