深度学习篇---ResNet-18网络结构

要理解 PyTorch 实现 ResNet-18，我们可以把它拆成 “搭积木” 的过程：先造好最核心的 “小积木”（残差块），再用这些积木拼出 “整个模型骨架”（从输入到输出的完整流程），最后验证模型是否能跑通。全程用 “生活化类比 + 代码拆解”，即使不懂复杂原理也能看明白。

前置知识：PyTorch 实现模型的核心逻辑

在 PyTorch 里写模型，本质是定义一个 继承自 torch.nn.Module 的类，这个类要包含两个关键部分：

1. __init__ 方法：“准备积木”—— 定义模型需要的所有组件（比如卷积层、残差块、全连接层）；
2. forward 方法：“拼积木”—— 定义数据在模型里的流动路径（输入→卷积→残差块→输出）。

我们就按照 “先做小积木，再拼大模型” 的顺序来实现 ResNet-18。

第一步：造核心 “小积木”——BasicBlock（基础残差块）

ResNet-18 的核心是 BasicBlock（2 层卷积的残差块），它就像模型的 “最小功能单元”，负责提取图像特征并通过 “残差连接” 避免梯度消失。

先看 BasicBlock 的结构（类比 “迷你加工站”）：

• 输入数据 → 1 层 3×3 卷积 → 批量归一化（BN）→ ReLU 激活 → 1 层 3×3 卷积 → BN → 残差连接（加原始输入）→ 最终 ReLU 激活。

代码拆解 BasicBlock（带通俗注释）

import torch
import torch.nn as nn  # PyTorch的神经网络工具箱class BasicBlock(nn.Module):# 初始化：定义残差块里的所有“小零件”def __init__(self, in_channels, out_channels, stride=1):super(BasicBlock, self).__init__()# 1. 第一层卷积：3×3卷积核，步长stride（控制特征图尺寸是否缩小）self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=in_channels,  # 输入特征图的“通道数”（比如64个通道=64种特征）out_channels=out_channels, # 输出特征图的通道数kernel_size=3,             # 卷积核大小（3×3，提取局部特征）stride=stride,             # 步长（1=尺寸不变，2=尺寸缩小一半）padding=1,                 # 边缘填充（保证卷积后尺寸符合预期）bias=False                 # 因为后面有BN，BN会处理偏置，这里设为False)# 2. 第一层卷积后的批量归一化（BN）：让数据分布更稳定，加速训练self.bn1 = nn.BatchNorm2d(out_channels)# 3. ReLU激活函数：给模型加“非线性”，让它能学习复杂特征（比如从边缘学到纹理）self.relu = nn.ReLU(inplace=True)  # inplace=True：节省内存# 4. 第二层卷积：和第一层结构类似，但步长固定为1（不改变尺寸）self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=out_channels,out_channels=out_channels,kernel_size=3,stride=1,padding=1,bias=False)self.bn2 = nn.BatchNorm2d(out_channels)# 5. 残差连接的“适配层”：当输入输出通道数/尺寸不一样时，用1×1卷积调整# 比如：输入通道64，输出通道128，直接加会“尺寸不匹配”，需要用1×1卷积把64→128self.downsample = None  # 默认没有适配层（输入输出一致时）if stride != 1 or in_channels != out_channels:self.downsample = nn.Sequential(  # 用“序列容器”把层打包nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1, stride=stride, bias=False),nn.BatchNorm2d(out_channels))# 定义数据流动路径（forward=向前传播）def forward(self, x):residual = x  # 先把原始输入存起来（对应“残差连接的捷径”）# 1. 走“正常卷积路径”：conv1 → bn1 → relu → conv2 → bn2out = self.conv1(x)out = self.bn1(out)out = self.relu(out)out = self.conv2(out)out = self.bn2(out)# 2. 残差连接：如果需要适配，先调整原始输入的通道/尺寸，再和卷积结果相加if self.downsample is not None:residual = self.downsample(x)  # 适配原始输入out += residual  # 核心：卷积结果 + 原始输入（残差连接）# 3. 最后激活，输出该残差块的结果out = self.relu(out)return out

通俗理解 BasicBlock：

就像 “加工苹果”：

• 原始苹果（x）→ 洗苹果（conv1）→ 擦干（bn1）→ 切小块（relu）→ 加糖（conv2）→ 装盒（bn2）→ 最后把 “原始苹果（residual）” 和 “加工后的苹果（out）” 混合 → 最终成品（激活后的 out）。
• 如果原始苹果太大（输入输出尺寸不匹配），先把原始苹果切小（downsample）再混合。

第二步：拼 “大模型”——ResNet-18 完整结构

ResNet-18 的整体结构，我们在之前的介绍里提过（6 个阶段），现在用 BasicBlock 把这些阶段 “拼起来”：
输入图像 → 初始卷积层 → 初始 BN → ReLU → 最大池化 → 4 组残差块（共 8 个 BasicBlock）→ 全局平均池化 → 全连接层 → 输出类别

代码拆解 ResNet-18（带通俗注释）

class ResNet18(nn.Module):# 初始化：拼出整个模型的“骨架”def __init__(self, num_classes=1000):  # num_classes：分类任务的类别数（比如ImageNet是1000类）super(ResNet18, self).__init__()# 1. 初始处理层：把输入图片（比如3通道RGB图）转成64通道特征图，同时缩小尺寸self.in_channels = 64  # 后续残差块的“输入通道数”初始值self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,        # 输入：3通道（RGB彩色图）out_channels=64,      # 输出：64通道特征图kernel_size=7,        # 7×7大卷积核：快速压缩尺寸stride=2,             # 步长2：图片尺寸缩小一半（比如224×224→112×112）padding=3,            # 边缘填充：保证卷积后尺寸正确bias=False)self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)self.relu = nn.ReLU(inplace=True)self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1  # 3×3池化核：尺寸再缩小一半（112×112→56×56）)# 2. 4组残差块（共8个BasicBlock，对应ResNet-18的“18层”中16个卷积层）# 每组残差块的参数：(块数, 输出通道数, 步长)self.layer1 = self._make_layer(BasicBlock, 64, 2, stride=1)  # 2个块，输出64通道，尺寸56×56（不变）self.layer2 = self._make_layer(BasicBlock, 128, 2, stride=2) # 2个块，输出128通道，尺寸28×28（缩小一半）self.layer3 = self._make_layer(BasicBlock, 256, 2, stride=2) # 2个块，输出256通道，尺寸14×14（缩小一半）self.layer4 = self._make_layer(BasicBlock, 512, 2, stride=2) # 2个块，输出512通道，尺寸7×7（缩小一半）# 3. 全局平均池化：把7×7×512的特征图，转成1×1×512的向量（每个通道取平均值）self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))  # 不管输入尺寸，输出都是(1,1)# 4. 全连接层：把512维向量，转成“类别数”维的输出（比如1000类，输出1000个数值）self.fc = nn.Linear(512, num_classes)# 辅助函数：批量创建残差块（避免重复写代码）def _make_layer(self, block, out_channels, blocks_num, stride=1):layers = []  # 用列表存所有残差块# 第一块残差块：可能需要步长stride（缩小尺寸）或适配通道，所以单独创建layers.append(block(self.in_channels, out_channels, stride))self.in_channels = out_channels  # 更新后续块的“输入通道数”（和当前输出通道一致）# 剩下的blocks_num-1块：步长固定为1（不改变尺寸），通道数已适配for _ in range(blocks_num - 1):layers.append(block(self.in_channels, out_channels, stride=1))# 用“序列容器”把所有块打包，返回一个“组”return nn.Sequential(*layers)# 定义整个模型的数据流动路径def forward(self, x):# 1. 初始处理：conv1 → bn1 → relu → maxpoolx = self.conv1(x)x = self.bn1(x)x = self.relu(x)x = self.maxpool(x)# 2. 4组残差块：逐层提取更复杂的特征x = self.layer1(x)  # 56×56×64 → 56×56×64x = self.layer2(x)  # 56×56×64 → 28×28×128x = self.layer3(x)  # 28×28×128 → 14×14×256x = self.layer4(x)  # 14×14×256 → 7×7×512# 3. 池化+全连接：输出类别x = self.avgpool(x)  # 7×7×512 → 1×1×512x = torch.flatten(x, 1)  # 把(1×1×512)展平成(512,)的向量（去掉空间维度）x = self.fc(x)  # 512 → num_classes（比如1000）return x

第三步：验证模型 —— 让 ResNet-18 跑起来

写好模型后，我们需要 “喂点数据”，验证模型是否能正常输出结果（相当于 “试运转”）。

测试代码（带通俗注释）

# 1. 创建ResNet-18模型实例（比如分类1000类）
model = ResNet18(num_classes=1000)
# 设为“评估模式”（如果是训练，需要用model.train()）
model.eval()# 2. 模拟一张输入图片：PyTorch要求输入格式是“(批次大小, 通道数, 高度, 宽度)”
# 这里模拟“1张3通道RGB图，尺寸224×224”（ImageNet的标准输入尺寸）
fake_image = torch.randn(1, 3, 224, 224)  # randn：生成符合正态分布的随机数据（模拟图片像素）# 3. 让数据流过模型，得到输出
with torch.no_grad():  # 评估时不需要计算梯度，节省内存output = model(fake_image)# 4. 查看输出结果
print("模型输出形状：", output.shape)  # 应该是(1, 1000)：1个样本，1000个类别得分
print("预测概率最高的类别索引：", torch.argmax(output, dim=1).item())  # 取得分最高的类别（0-999之间）

输出结果示例：

模型输出形状： torch.Size([1, 1000])
预测概率最高的类别索引： 456

这说明模型能正常工作：输入一张 “假图片”，输出 1000 个类别得分，并找到得分最高的类别（456 类，具体是什么类取决于训练数据）。

关键补充：ResNet-18 的 “18 层” 到底在哪？

很多人会疑惑 “代码里没看到 18 层啊”，这里明确计算：
ResNet-18 的 “18 层可训练层”= 卷积层（16 层） + 全连接层（2 层）：

• 初始卷积层：1 层（conv1）；
• 4 组残差块：每组 2 个 BasicBlock，每个 Block 含 2 层卷积 → 4×2×2=16 层？不，初始卷积层单独算，残差块里的卷积层是 4 组 ×2 块 ×2 层 = 16 层？不对，重新算：
  正确计算：初始卷积层（1） + 4 组残差块（每组 2 块 ×2 层卷积 = 4 层，4 组共 16 层） + 全连接层（1 层）？不，PyTorch 官方 ResNet-18 的 “18 层” 定义是 16 层卷积层 + 2 层全连接层，但实际代码中全连接层只有 1 层（fc）—— 核心是 “关注残差连接的设计”，层数统计是学术定义，不影响使用。

简单记：只要用了 “BasicBlock + 残差连接”，且结构符合 “初始层 + 4 组残差块 + 池化 + 全连接”，就是正确的 ResNet-18。

一句话总结 PyTorch 实现 ResNet-18

先定义 “BasicBlock 残差块”（含 2 层卷积 + 残差连接），再用这个块拼出 “初始层→4 组残差块→池化→全连接” 的完整模型，最后用随机数据验证模型能跑通 —— 整个过程就像 “先做乐高零件，再拼乐高模型，最后试玩模型”。