CNN的各种知识点（三）：有关于VGG16 的结构展开的问题（1）

1. VGG16 的原生结构

在标准的 VGG16 模型中，网络分为两大模块：

• features：包含所有卷积层和池化层，用于提取图像特征。
• classifier：包含所有全连接层，用于分类。

原版 VGG16 的结构如下（简化版）：

VGG16(
  features: Sequential(  # 特征提取部分
    Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1),
    ReLU(),
    Conv2d(64, 64, kernel_size=3, padding=1),
    ReLU(),
    MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
    # ... 后续卷积层和池化层
    Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
    ReLU(),
    Conv2d(512, 512, kernel_size=3, padding=1),
    ReLU(),
    MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)  # 最后一层池化
  ),
  avgpool: AdaptiveAvgPool2d(output_size=(7, 7)),  # 全局平均池化（非原生，可能是自定义修改）
  classifier: Sequential(  # 分类部分
    Linear(25088, 4096),   # 输入维度 512*7*7=25088
    ReLU(),
    Dropout(0.5),
    Linear(4096, 4096),
    ReLU(),
    Dropout(0.5),
    Linear(4096, 1000)     # 输出 1000 类（ImageNet）
  )
)

2. model.avgpool 的作用

原生 VGG16 中没有 avgpool 层？

• 原版 VGG16 的真相：
  实际上，原版 VGG16 没有显式的 avgpool 层。
  它的 features 模块最后一层是 MaxPool2d，输出形状为 (512, 7, 7)，然后直接展平输入 classifier。
  AdaptiveAvgPool2d 是 PyTorch 对原版结构的调整，用于统一不同输入尺寸的输出。

代码中的 model.avgpool 是什么？

在用户提供的代码中：

model.avgpool = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(512, 512, 3),
    nn.MaxPool2d(2),
    nn.Flatten()
)

• 目的：替换原版 VGG16 的全局池化层，添加自定义操作：

  1. Conv2d(512, 512, 3)：在特征图上进行 3x3 卷积（保持通道数不变）。
  2. MaxPool2d(2)：通过最大池化进一步压缩空间维度。
  3. Flatten()：将多维特征图展平为一维向量，输入全连接层。

• 输入输出流程：

  • 输入形状：来自 features 的最后一层，假设为 (batch, 512, 7, 7)。
  • 操作分解：
    1. 卷积层：
       输入 (512, 7, 7) → 输出 (512, 5, 5)（7-3+1=5）。
    2. 最大池化：
       输入 (512, 5, 5) → 输出 (512, 2, 2)（5//2=2）。
    3. 展平：
       输出 (512*2*2) = 2048 → 形状 (batch, 2048)。

• 意义：
  通过添加卷积和池化，进一步提取高阶特征并压缩维度，最终输出 2048 维向量。

3. model.classifier 的作用

原生 VGG16 的 classifier

原版 classifier 是全连接层，用于将 features 提取的特征映射到类别概率：

classifier: Sequential(
    Linear(25088, 4096),  # 25088 = 512*7*7
    ReLU(),
    Dropout(0.5),
    Linear(4096, 4096),
    ReLU(),
    Dropout(0.5),
    Linear(4096, 1000)    # 输出 ImageNet 的 1000 类
)

用户代码中的 classifier

用户代码修改了 classifier，适配关键点回归任务：

model.classifier = nn.Sequential(
    nn.Linear(2048, 512),  # 输入来自 avgpool 的 2048 维
    nn.ReLU(),
    nn.Dropout(0.5),
    nn.Linear(512, 136),   # 输出 136 个坐标值（68 个关键点）
    nn.Sigmoid()           # 将输出限制到 [0,1]（归一化坐标）
)

• 输入输出流程：
  1. 输入：来自 avgpool 的 2048 维向量。
  2. 全连接层：降维到 512 → 激活函数 → Dropout 防过拟合。
  3. 输出层：映射到 136 维（68 个关键点的 x 和 y 坐标）。
  4. Sigmoid：将坐标归一化到图像比例（如 x=0.5 表示图像宽度中点）。

4. 为什么模型能分化为 avgpool 和 classifier？

模块化设计

PyTorch 的模型是模块化的，允许用户按需替换子模块。
在 VGG16 的实现中，开发者可能将网络分为多个逻辑部分：

• features：所有卷积层（特征提取）。
• avgpool：全局池化层（自定义添加，非原生）。
• classifier：全连接层（分类或回归）。

代码中的分化

用户代码中：

• model.avgpool：处理从 features 输出的特征图（卷积 + 池化 + 展平）。
• model.classifier：将展平后的特征向量映射到目标输出（如关键点坐标）。

5. 数据流动示例

假设输入图像尺寸为 224x224：

1. features 部分：
   输入 (3, 224, 224) → 输出 (512, 7, 7)。
2. avgpool 部分：
   输入 (512, 7, 7) → 卷积 → (512, 5, 5) → 池化 → (512, 2, 2) → 展平 → (2048)。
3. classifier 部分：
   输入 2048 → 全连接 → 512 → ReLU → Dropout → 全连接 → 136 → Sigmoid → 输出归一化坐标。

总结

通过替换 avgpool 和 classifier，用户将 VGG16 从图像分类任务改造为关键点回归任务，同时利用预训练的卷积层提取通用特征。