深度学习之视觉特征提取器——LeNet

LeNet

引入

LeNet是是由深度学习巨头Yann LeCun在1998年提出，可以算作多层卷积网络在图像识别领域的首次成功应用。我们现在通常说的LeNet是指LeNet-5，最早的LeNet-1在1988年即开始研究，前后持续十年之久。但是，受限于当时计算机算力的发展，以及本有的SVM技术效果就十分优秀，这一技术并没有得到广泛重视。然而，在以卷积神经网络为基础构建起的计算机视觉的今天，不得不感慨，二十年后今天的LLM或者是什么模型，会成为曾经的CNN/LeNet。

模型结构

LeNet的模型结构如上图所示，LeNet最初是用在MNIST手写数据集上，对手写数字进行分辨。对于输入的32×32像素的手写数据图，首先利用卷积核为5×5的卷积层转化成28×28×6的特征图，通道数为6（就是有6个不同卷积核），再使用Sigmoid和2×2的最大池化Maxpool提取最为关键的特征信息，维度变成14×14。接着在使用卷积核为5×5的卷积层转化成10×10的特征图，通道数为16，再使用Sigmoid和2×2的最大池化Maxpool提取最为关键的特征信息，维度变成5×5×16。再将其全部展开成一维，并连接三个卷积层和Softmax激活函数得到10分类的概率值，选取概率最大的分类作为最终预测分类。更为详细的结构图如下所示：

值得注意的是，通过查阅维基百科(2024.4.30)，其中卷积层之间以及全连接层之间是使用Sigmoid进行连接的而不是像网上一些博客中提到的ReLU，在此进行更正。

LeNet可以说为后续的特征提取器提供了一个范式。这个范式是先使用卷积层提取特征，通过不断缩小特征图尺寸以及增加通道数提取特征，并使用池化层提升泛化性防止过拟合。之后将这些特征展开成一维使用全连接层进行分类并使用Softmax输出预测概率。

实现代码

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class LeNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(LeNet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5)
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 4 * 4, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        x = F.max_pool2d(F.sigmoid(self.conv1(x)), (2, 2))
        x = F.max_pool2d(F.sigmoid(self.conv2(x)), 2)
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:]
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features

# 创建LeNet模型实例
net = LeNet()
# 打印LeNet模型结构
print(net)