深度学习笔记:卷积神经网络(CNN)演进与PyTorch构建模型基础

一、卷积神经网络(CNN)的演进

1. LeNet:卷积神经网络的起点

LeNet-5 是早期成功的卷积神经网络之一,用于手写数字识别。其结构分为两部分:

卷积编码器:两个卷积层,使用5×5卷积核和Sigmoid激活函数。

全连接层:三个全连接层用于分类。

LeNet 奠定了CNN的基本结构:卷积层 + 池化层 + 全连接层。

2. 表示学习与视觉分层理论

CNN 的核心思想是表示学习,即通过网络自动学习特征表示,从底层到高层逐步抽象:

底层特征:边缘、颜色、斑块

中层特征:条纹、纹理、形状

高层特征:眼睛、轮胎、文字等语义特征

3. AlexNet:深度学习的里程碑

AlexNet 在2012年ImageNet竞赛中获胜,标志着深度学习在计算机视觉中的崛起。其主要改进包括:

使用 ReLU激活函数(缓解梯度消失)

引入 Dropout(防止过拟合)

使用 最大池化层数据增强技术提升泛化能力

AlexNet 结构比LeNet更深,包含5个卷积层和3个全连接层。

4. VGG:更深的网络与模块化设计

VGG 通过堆叠多个3×3卷积层 和2×2最大池化层构建更深网络,如VGG-16、VGG-19。其核心思想是:

使用小卷积核堆叠代替大卷积核(减少参数量)

模块化设计(VGG块)便于构建深层网络

二、PyTorch神经网络工具箱基础

1. 核心组件:nn.Module 与 nn.functional

PyTorch 提供两种主要方式构建神经网络:

nn.Module:

继承自 nn.Module 的类(如 nn.Linear, nn.Conv2d)

自动管理参数(weight, bias)

可与 nn.Sequential 结合使用

支持训练/测试状态切换(如Dropout)

nn.functional:

函数式接口(如 F.relu, F.max_pool2d)

需手动传入参数,不利于复用

适用于无状态操作(如激活函数、池化)

2. 三种构建模型的方式

继承 nn.Module 基类:

最灵活的方式,可自定义前向传播逻辑。

使用 nn.Sequential:

按顺序堆叠层,支持三种写法:

直接传入层列表(无名)

使用 add_module 添加命名层

使用 OrderedDict 指定每层名称

使用模型容器:

nn.ModuleList:存储子模块,支持迭代

nn.ModuleDict:通过名字访问子模块

3. 自定义网络模块示例:残差块

残差块有两种形式:

直接相加输入与输出(需形状一致)

通过1×1卷积调整通道数后再相加

这些模块可组合成现代网络如 ResNet

三、总结

从LeNet到VGG,CNN通过更深的结构 、更好的激活函数 、正则化技术 和模块化设计 不断提升性能。而在PyTorch中,我们可以通过 nn.Module 和 nn.Sequential 等工具灵活构建这些网络结构,实现从理论到实践的无缝衔接。

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