卷积神经网络模型之——LeNet网络结构与代码实现

LeNet简介

LeNet原文地址：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/726791

LeNet可以说是卷积神经网络的“HelloWorld”，它通过巧妙的设计，利用卷积、池化等操作提取特征，再使用全连接神经网络进行分类。

Lenet是一个 7 层的神经网络（不包含输入层），包含 3 个卷积层，2 个池化层，2 个全连接层。它的网络结构图如下所示：

LeNet7层结构

第0层：输入
输入的原始图像大小是32×32像素的3通道图像。

C1:第一个卷积层

C1是一个卷积层，卷积核大小为5，输入大小为3X32X32，输出特征图大小为16X28X28。

self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 5)

torch.nn.Conv2d()的参数解释如下：

torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True, padding_mode='zeros', device=None, dtype=None)

• in_channels (int) – Number of channels in the input image
• out_channels (int) – Number of channels produced by the convolution
• kernel_size (int or tuple) – Size of the convolving kernel
• stride (int or tuple, optional) – Stride of the convolution. Default: 1
• padding (int, tuple or str, optional) – Padding added to all four sides of the input. Default: 0
• padding_mode (string, optional) – ‘zeros’, ‘reflect’, ‘replicate’ or ‘circular’. Default: ‘zeros’
• dilation (int or tuple, optional) – Spacing between kernel elements. Default: 1
• groups (int, optional) – Number of blocked connections from input channels to output channels. Default: 1
• bias (bool, optional) – If True, adds a learnable bias to the output. Default: True

经过卷积后的输出大小计算为下：

S2:第一个下采样层

S2是一个池化层，kernel_size为2，stride为2，输入大小为16X28X28，输出特征图大小为16X14X14。

self.pool1 = nn.MaxPool2d(2, 2)

torch.nn.MaxPool2d的参数解释如下：

torch.nn.MaxPool2d(kernel_size, stride=None, padding=0, dilation=1, return_indices=False, ceil_mode=False)

• kernel_size – the size of the window to take a max over
• stride – the stride of the window. Default value is kernel_size
• padding – implicit zero padding to be added on both sides
• dilation – a parameter that controls the stride of elements in the window
• return_indices – if True, will return the max indices along with the outputs. Useful for torch.nn.MaxUnpool2d later
• ceil_mode – when True, will use ceil instead of floor to compute the output shape

经过池化后的输出大小计算为下：

C3:第2个卷积层

C3是一个卷积层，卷积核大小为5，输入大小为16X14X14，输出特征图大小为32X10X10。

self.conv2 = nn.Conv2d(16, 32, 5)

S4:第2个下采样层

S4是一个池化层，kernel_size为2，stride为2，输入大小为32X10X10，输出特征图大小为32X5X5。

self.pool2 = nn.MaxPool2d(2, 2)

C5:第3个卷积层

C5是一个卷积层，卷积核大小为5，输入大小为32X5X5，输出特征图大小为120X1X1。

此处用全连接层代替

self.fc1 = nn.Linear(32*5*5, 120)

F6:第1个全连接层

F6是一个全连接层，输入大小为120，输出特征图大小为84。

self.fc2 = nn.Linear(120, 84)

F7:第2个全连接层

F7是一个全连接层，输入大小为84，输出特征图大小为10（表示有10种类别）。

self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

使用pytorch搭建LeNet

搭建一个网络模型，最少需要分两步进行

1. 创建一个类并继承nn.Module

import torch.nn as nn

# pytorch:通道排序：[N,Channel,Height,Width]
class LeNet(nn.Module):

2. 类中实现两个方法

def __init__(self):定义搭建网络中需要使用的网络层结构

def forward(self, x): 定义正向传播过程

LeNet网络结构pytorch实现：

class LeNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LeNet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 5)    # C1
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(2, 2)     # S2
        self.conv2 = nn.Conv2d(16, 32, 5)   # C3
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(2, 2)     # S4
        self.fc1 = nn.Linear(32*5*5, 120)   # C5（用全连接代替）
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)       # F6
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)        # F7

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.conv1(x))    # input(3, 32, 32) output(16, 28, 28)
        x = self.pool1(x)            # output(16, 14, 14)
        x = F.relu(self.conv2(x))    # output(32, 10, 10)
        x = self.pool2(x)            # output(32, 5, 5)
        x = x.view(-1, 32*5*5)       # output(32*5*5) 展平
        x = F.relu(self.fc1(x))      # output(120)
        x = F.relu(self.fc2(x))      # output(84)
        x = self.fc3(x)              # output(10)
        return x

打印LeNet结构如下：

model = LeNet()
print(model)