mmcv/docs/zh_cn/understand_mmcv/cnn.md

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## 卷积神经网络
我们为卷积神经网络提供了一些构建模块,包括层构建、模块组件和权重初始化。
### 网络层的构建
在运行实验时,我们可能需要尝试同属一种类型但不同配置的层,但又不希望每次都修改代码。于是我们提供一些层构建方法,可以从字典构建层,字典可以在配置文件中配置,也可以通过命令行参数指定。
#### 用法
一个简单的例子:
```python
cfg = dict(type='Conv3d')
layer = build_conv_layer(cfg, in_channels=3, out_channels=8, kernel_size=3)
```
- `build_conv_layer`: 支持的类型包括 Conv1d、Conv2d、Conv3d、Conv (Conv是Conv2d的别名
- `build_norm_layer`: 支持的类型包括 BN1d、BN2d、BN3d、BN (alias for BN2d)、SyncBN、GN、LN、IN1d、IN2d、IN3d、ININ是IN2d的别名
- `build_activation_layer`:支持的类型包括 ReLU、LeakyReLU、PReLU、RReLU、ReLU6、ELU、Sigmoid、Tanh、GELU
- `build_upsample_layer`: 支持的类型包括 nearest、bilinear、deconv、pixel_shuffle
- `build_padding_layer`: 支持的类型包括 zero、reflect、replicate
#### 拓展
我们还允许自定义层和算子来扩展构建方法。
1. 编写和注册自己的模块:
```python
from mmcv.cnn import UPSAMPLE_LAYERS
@UPSAMPLE_LAYERS.register_module()
class MyUpsample:
def __init__(self, scale_factor):
pass
def forward(self, x):
pass
```
2. 在某处导入 `MyUpsample` (例如 `__init__.py` )然后使用它:
```python
cfg = dict(type='MyUpsample', scale_factor=2)
layer = build_upsample_layer(cfg)
```
### 模块组件
我们还提供了常用的模块组件,以方便网络构建。
卷积组件 `ConvModule` 由 convolution、normalization以及activation layers 组成,更多细节请参考 [ConvModule api](api.html#mmcv.cnn.ConvModule)。
```python
# conv + bn + relu
conv = ConvModule(3, 8, 2, norm_cfg=dict(type='BN'))
# conv + gn + relu
conv = ConvModule(3, 8, 2, norm_cfg=dict(type='GN', num_groups=2))
# conv + relu
conv = ConvModule(3, 8, 2)
# conv
conv = ConvModule(3, 8, 2, act_cfg=None)
# conv + leaky relu
conv = ConvModule(3, 8, 3, padding=1, act_cfg=dict(type='LeakyReLU'))
# bn + conv + relu
conv = ConvModule(
3, 8, 2, norm_cfg=dict(type='BN'), order=('norm', 'conv', 'act'))
```
### Weight initialization
> 实现细节可以在 [mmcv/cnn/utils/weight_init.py](../../mmcv/cnn/utils/weight_init.py)中找到
在训练过程中,适当的初始化策略有利于加快训练速度或者获得更高的性能。 在MMCV中我们提供了一些常用的方法来初始化模块比如 `nn.Conv2d` 模块。当然我们也提供了一些高级API可用于初始化包含一个或多个模块的模型。
#### Initialization functions
以函数的方式初始化 `nn.Module` ,例如 `nn.Conv2d``nn.Linear` 等。
我们提供以下初始化方法,
- constant_init
使用给定常量值初始化模型参数
```python
>>> import torch.nn as nn
>>> from mmcv.cnn import constant_init
>>> conv1 = nn.Conv2d(3, 3, 1)
>>> # constant_init(module, val, bias=0)
>>> constant_init(conv1, 1, 0)
>>> conv1.weight
```
- xavier_init
按照 [Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks - Glorot, X. & Bengio, Y. (2010)](http://proceedings.mlr.press/v9/glorot10a/glorot10a.pdf) 描述的方法初始化模型参数
```python
>>> import torch.nn as nn
>>> from mmcv.cnn import xavier_init
>>> conv1 = nn.Conv2d(3, 3, 1)
>>> # xavier_init(module, gain=1, bias=0, distribution='normal')
>>> xavier_init(conv1, distribution='normal')
```
- normal_init
使用正态分布(高斯分布)初始化模型参数
```python
>>> import torch.nn as nn
>>> from mmcv.cnn import normal_init
>>> conv1 = nn.Conv2d(3, 3, 1)
>>> # normal_init(module, mean=0, std=1, bias=0)
>>> normal_init(conv1, std=0.01, bias=0)
```
- uniform_init
使用均匀分布初始化模型参数
```python
>>> import torch.nn as nn
>>> from mmcv.cnn import uniform_init
>>> conv1 = nn.Conv2d(3, 3, 1)
>>> # uniform_init(module, a=0, b=1, bias=0)
>>> uniform_init(conv1, a=0, b=1)
```
- kaiming_init
按照 [Delving deep into rectifiers: Surpassing human-level performance on ImageNet classification - He, K. et al. (2015)](https://www.cv-foundation.org/openaccess/content_iccv_2015/papers/He_Delving_Deep_into_ICCV_2015_paper.pdf) 描述的方法来初始化模型参数。
```python
>>> import torch.nn as nn
>>> from mmcv.cnn import kaiming_init
>>> conv1 = nn.Conv2d(3, 3, 1)
>>> # kaiming_init(module, a=0, mode='fan_out', nonlinearity='relu', bias=0, distribution='normal')
>>> kaiming_init(conv1)
```
- caffe2_xavier_init
caffe2中实现的 `xavier initialization`,对应于 PyTorch中的 `kaiming_uniform_`
```python
>>> import torch.nn as nn
>>> from mmcv.cnn import caffe2_xavier_init
>>> conv1 = nn.Conv2d(3, 3, 1)
>>> # caffe2_xavier_init(module, bias=0)
>>> caffe2_xavier_init(conv1)
```
- bias_init_with_prob
根据给定的概率初始化 `conv/fc`, 这在 [Focal Loss for Dense Object Detection](https://arxiv.org/pdf/1708.02002.pdf) 提出。
```python
>>> from mmcv.cnn import bias_init_with_prob
>>> # bias_init_with_prob is proposed in Focal Loss
>>> bias = bias_init_with_prob(0.01)
>>> bias
-4.59511985013459
```
#### Initializers and configs
在初始化方法的基础上,我们定义了相应的初始化类,并将它们注册到 `INITIALIZERS` 中,这样我们就可以使用 `config` 配置来初始化模型了。
我们提供以下初始化类:
- ConstantInit
- XavierInit
- NormalInit
- UniformInit
- KaimingInit
- Caffe2XavierInit
- PretrainedInit
接下来详细介绍 `initialize` 的使用方法
1. 通过关键字 `layer` 来初始化模型
如果我们只定义了关键字 `layer` ,那么只初始化 `layer` 中包含的层。
注意: 关键字 `layer` 支持的模块是带有 weights 和 bias 属性的 PyTorch 模块,所以不支持 `MultiheadAttention layer`
- 定义关键字 `layer` 列表并使用相同相同配置初始化模块
```python
import torch.nn as nn
from mmcv.cnn import initialize
class FooNet(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.feat = nn.Conv1d(3, 1, 3)
self.reg = nn.Conv2d(3, 3, 3)
self.cls = nn.Linear(1, 2)
model = FooNet()
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d', 'Conv2d', 'Linear'], val=1)
# 使用相同的配置初始化整个模块
initialize(model, init_cfg)
# model.feat.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[1., 1., 1.],
# [1., 1., 1.],
# [1., 1., 1.]]], requires_grad=True)
```
- 定义关键字 `layer` 用于初始化不同配置的层
```python
import torch.nn as nn
from mmcv.cnn.utils import initialize
class FooNet(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.feat = nn.Conv1d(3, 1, 3)
self.reg = nn.Conv2d(3, 3, 3)
self.cls = nn.Linear(1,2)
model = FooNet()
init_cfg = [dict(type='Constant', layer='Conv1d', val=1),
dict(type='Constant', layer='Conv2d', val=2),
dict(type='Constant', layer='Linear', val=3)]
# nn.Conv1d 使用 dict(type='Constant', val=1) 初始化
# nn.Conv2d 使用 dict(type='Constant', val=2) 初始化
# nn.Linear 使用 dict(type='Constant', val=3) 初始化
initialize(model, init_cfg)
# model.reg.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
```
2. 定义关键字`override`初始化模型
- 当用属性名初始化某个特定部分时, 我们可以使用关键字 `override`, 关键字 `override` 对应的Value会替代init_cfg中相应的值
```python
import torch.nn as nn
from mmcv.cnn import initialize
class FooNet(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.feat = nn.Conv1d(3, 1, 3)
self.reg = nn.Conv2d(3, 3, 3)
self.cls = nn.Sequential(nn.Conv1d(3, 1, 3), nn.Linear(1,2))
# 如果我们想将模型的权重初始化为 1将偏差初始化为 2
# 但希望 `reg` 中的权重为 3偏差为 4则我们可以使用关键字override
model = FooNet()
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d','Conv2d'], val=1, bias=2,
override=dict(type='Constant', name='reg', val=3, bias=4))
# 使用 dict(type='Constant', val=1, bias=2)来初始化 self.feat and self.cls
# 使用dict(type='Constant', val=3, bias=4)来初始化reg模块。
initialize(model, init_cfg)
# model.reg.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[3., 3., 3.],
# [3., 3., 3.],
# [3., 3., 3.]],
# ...,
# [[3., 3., 3.],
# [3., 3., 3.],
# [3., 3., 3.]]]], requires_grad=True)
```
- 如果 init_cfg 中的关键字`layer`为None则只初始化在关键字override中的子模块并且省略override中的 type 和其他参数
```python
model = FooNet()
init_cfg = dict(type='Constant', val=1, bias=2, override=dict(name='reg'))
# self.feat 和 self.cls 使用pyTorch默认的初始化
# 将使用 dict(type='Constant', val=1, bias=2) 初始化名为 'reg' 的模块
initialize(model, init_cfg)
# model.reg.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[1., 1., 1.],
# [1., 1., 1.],
# [1., 1., 1.]],
# ...,
# [[1., 1., 1.],
# [1., 1., 1.],
# [1., 1., 1.]]]], requires_grad=True)
```
- 如果我们没有定义关键字`layer`或`override` , 将不会初始化任何东西
- 关键字`override`的无效用法
```python
# 没有重写任何子模块
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d','Conv2d'],
val=1, bias=2,
override=dict(type='Constant', val=3, bias=4))
# 没有指定type即便有其他参数也是无效的。
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d','Conv2d'],
val=1, bias=2,
override=dict(name='reg', val=3, bias=4))
```
3. 用预训练模型初始化
```python
import torch.nn as nn
import torchvision.models as models
from mmcv.cnn import initialize
# 使用预训练模型来初始化
model = models.resnet50()
# model.conv1.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[-6.7435e-03, -2.3531e-02, -9.0143e-03, ..., -2.1245e-03,
# -1.8077e-03, 3.0338e-03],
# [-1.2603e-02, -2.7831e-02, 2.3187e-02, ..., -1.5793e-02,
# 1.1655e-02, 4.5889e-03],
# [-3.7916e-02, 1.2014e-02, 1.3815e-02, ..., -4.2651e-03,
# 1.7314e-02, -9.9998e-03],
# ...,
init_cfg = dict(type='Pretrained',
checkpoint='torchvision://resnet50')
initialize(model, init_cfg)
# model.conv1.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[ 1.3335e-02, 1.4664e-02, -1.5351e-02, ..., -4.0896e-02,
# -4.3034e-02, -7.0755e-02],
# [ 4.1205e-03, 5.8477e-03, 1.4948e-02, ..., 2.2060e-03,
# -2.0912e-02, -3.8517e-02],
# [ 2.2331e-02, 2.3595e-02, 1.6120e-02, ..., 1.0281e-01,
# 6.2641e-02, 5.1977e-02],
# ...,
# 使用关键字'prefix'用预训练模型的特定部分来初始化子模块权重
model = models.resnet50()
url = 'http://download.openmmlab.com/mmdetection/v2.0/retinanet/'\
'retinanet_r50_fpn_1x_coco/'\
'retinanet_r50_fpn_1x_coco_20200130-c2398f9e.pth'
init_cfg = dict(type='Pretrained',
checkpoint=url, prefix='backbone.')
initialize(model, init_cfg)
```
4. 初始化继承自BaseModule、Sequential、ModuleList、ModuleDict的模型
`BaseModule` 继承自 `torch.nn.Module`, 它们之间唯一的不同是 `BaseModule` 实现了 `init_weight`
`Sequential` 继承自 `BaseModule``torch.nn.Sequential`
`ModuleList` 继承自 `BaseModule``torch.nn.ModuleList`
`ModuleDict` 继承自 `BaseModule``torch.nn.ModuleDict`
```python
import torch.nn as nn
from mmcv.runner import BaseModule, Sequential, ModuleList, ModuleDict
class FooConv1d(BaseModule):
def __init__(self, init_cfg=None):
super().__init__(init_cfg)
self.conv1d = nn.Conv1d(4, 1, 4)
def forward(self, x):
return self.conv1d(x)
class FooConv2d(BaseModule):
def __init__(self, init_cfg=None):
super().__init__(init_cfg)
self.conv2d = nn.Conv2d(3, 1, 3)
def forward(self, x):
return self.conv2d(x)
# BaseModule
init_cfg = dict(type='Constant', layer='Conv1d', val=0., bias=1.)
model = FooConv1d(init_cfg)
model.init_weights()
# model.conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# Sequential
init_cfg1 = dict(type='Constant', layer='Conv1d', val=0., bias=1.)
init_cfg2 = dict(type='Constant', layer='Conv2d', val=2., bias=3.)
model1 = FooConv1d(init_cfg1)
model2 = FooConv2d(init_cfg2)
seq_model = Sequential(model1, model2)
seq_model.init_weights()
# seq_model[0].conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# seq_model[1].conv2d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
# inner init_cfg has higher priority
model1 = FooConv1d(init_cfg1)
model2 = FooConv2d(init_cfg2)
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d', 'Conv2d'], val=4., bias=5.)
seq_model = Sequential(model1, model2, init_cfg=init_cfg)
seq_model.init_weights()
# seq_model[0].conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# seq_model[1].conv2d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
# ModuleList
model1 = FooConv1d(init_cfg1)
model2 = FooConv2d(init_cfg2)
modellist = ModuleList([model1, model2])
modellist.init_weights()
# modellist[0].conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# modellist[1].conv2d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
# inner init_cfg has higher priority
model1 = FooConv1d(init_cfg1)
model2 = FooConv2d(init_cfg2)
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d', 'Conv2d'], val=4., bias=5.)
modellist = ModuleList([model1, model2], init_cfg=init_cfg)
modellist.init_weights()
# modellist[0].conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# modellist[1].conv2d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
# ModuleDict
model1 = FooConv1d(init_cfg1)
model2 = FooConv2d(init_cfg2)
modeldict = ModuleDict(dict(model1=model1, model2=model2))
modeldict.init_weights()
# modeldict['model1'].conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# modeldict['model2'].conv2d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
# inner init_cfg has higher priority
model1 = FooConv1d(init_cfg1)
model2 = FooConv2d(init_cfg2)
init_cfg = dict(type='Constant', layer=['Conv1d', 'Conv2d'], val=4., bias=5.)
modeldict = ModuleDict(dict(model1=model1, model2=model2), init_cfg=init_cfg)
modeldict.init_weights()
# modeldict['model1'].conv1d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 0., 0.]]], requires_grad=True)
# modeldict['model2'].conv2d.weight
# Parameter containing:
# tensor([[[[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]],
# ...,
# [[2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.],
# [2., 2., 2.]]]], requires_grad=True)
```
### Model Zoo
除了`torchvision`的预训练模型,我们还提供以下 CNN 的预训练模型:
- VGG Caffe
- ResNet Caffe
- ResNeXt
- ResNet with Group Normalization
- ResNet with Group Normalization and Weight Standardization
- HRNetV2
- Res2Net
- RegNet
#### Model URLs in JSON
MMCV中的Model Zoo Link 由 JSON 文件管理。 json 文件由模型名称及其url或path的键值对组成,一个json文件可能类似于:
```json
{
"model_a": "https://example.com/models/model_a_9e5bac.pth",
"model_b": "pretrain/model_b_ab3ef2c.pth"
}
```
可以在[此处](https://github.com/open-mmlab/mmcv/blob/master/mmcv/model_zoo/open_mmlab.json)找到托管在 OpenMMLab AWS 上的预训练模型的默认链接。
你可以通过将 `open-mmlab.json` 放在 `MMCV_HOME`下来覆盖默认链接,如果在环境中找不到`MMCV_HOME`,则默认使用 `~/.cache/mmcv`。当然你也可以使用命令 `export MMCV_HOME=/your/path`来设置自己的路径。
外部的json文件将被合并为默认文件如果相同的键出现在外部`json`和默认`json`中,则将使用外部`json`。
#### Load Checkpoint
`mmcv.load_checkpoint()`的参数`filename`支持以下类型:
- filepath: `checkpoint`路径
- `http://xxx` and `https://xxx`: 下载checkpoint的链接文件名中必需包含`SHA256`后缀
- `torchvision://xxx`: `torchvision.models`中的模型链接,更多细节参考 [torchvision](https://pytorch.org/docs/stable/torchvision/models.html)
- `open-mmlab://xxx`: 默认和其他 json 文件中提供的模型链接或文件路径