模型组网¶
模型组网是深度学习任务中的重要一环，该环节定义了神经网络的层次结构、数据从输入到输出的计算过程（即前向计算）等。
飞桨框架提供了多种模型组网方式，本文介绍如下几种常见用法：
直接使用内置模型
使用 paddle.nn.Sequential 组网
使用 paddle.nn.Layer 组网
另外飞桨框架提供了 paddle.summary 函数方便查看网络结构、每层的输入输出 shape 和参数信息。
一、直接使用内置模型¶
飞桨框架目前在 paddle.vision.models 下内置了计算机视觉领域的一些经典模型，只需一行代码即可完成网络构建和初始化，适合完成一些简单的深度学习任务，满足深度学习初阶用户感受模型的输入和输出形式、了解模型的性能。
import paddle
print('飞桨框架内置模型：', paddle.vision.models.__all__)
飞桨框架内置模型： ['ResNet', 'resnet18', 'resnet34', 'resnet50', 'resnet101', 'resnet152', 'VGG', 'vgg11', 'vgg13', 'vgg16', 'vgg19', 'MobileNetV1', 'mobilenet_v1', 'MobileNetV2', 'mobilenet_v2', 'LeNet']
以 LeNet 模型为例，可通过如下代码组网：
# 模型组网并初始化网络
lenet = paddle.vision.models.LeNet(num_classes=10)
# 可视化模型组网结构和参数
paddle.summary(lenet,(1, 1, 28, 28))
---------------------------------------------------------------------------
Layer (type) Input Shape Output Shape Param #
===========================================================================
Conv2D-1 [[1, 1, 28, 28]] [1, 6, 28, 28] 60
ReLU-1 [[1, 6, 28, 28]] [1, 6, 28, 28] 0
MaxPool2D-1 [[1, 6, 28, 28]] [1, 6, 14, 14] 0
Conv2D-2 [[1, 6, 14, 14]] [1, 16, 10, 10] 2,416
ReLU-2 [[1, 16, 10, 10]] [1, 16, 10, 10] 0
MaxPool2D-2 [[1, 16, 10, 10]] [1, 16, 5, 5] 0
Linear-1 [[1, 400]] [1, 120] 48,120
Linear-2 [[1, 120]] [1, 84] 10,164
Linear-3 [[1, 84]] [1, 10] 850
===========================================================================
Total params: 61,610
Trainable params: 61,610
Non-trainable params: 0
---------------------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.00
Forward/backward pass size (MB): 0.11
Params size (MB): 0.24
Estimated Total Size (MB): 0.35
---------------------------------------------------------------------------
{'total_params': 61610, 'trainable_params': 61610}
通过 paddle.summary 可清晰地查看神经网络层次结构、每一层的输入数据和输出数据的形状（Shape）、模型的参数量（Params）等信息，方便可视化地了解模型结构、分析数据计算和传递过程。从以上结果可以看出，LeNet 模型包含 2个Conv2D 卷积层、2个ReLU 激活层、2个MaxPool2D 池化层以及3个Linear 全连接层，这些层通过堆叠形成了 LeNet 模型，对应网络结构如下图所示。
图 1：LeNet 网络结构示意图
二、Paddle.nn 介绍¶
经典模型可以满足一些简单深度学习任务的需求，然后更多情况下，需要使用深度学习框架构建一个自己的神经网络，这时可以使用飞桨框架 paddle.nn 下的 API 构建网络，该目录下定义了丰富的神经网络层和相关函数 API，如卷积网络相关的 Conv1D、Conv2D、Conv3D，循环神经网络相关的 RNN、LSTM、GRU 等，方便组网调用，详细清单可在 API 文档 中查看。
飞桨提供继承类（class）的方式构建网络，并提供了几个基类，如：paddle.nn.Sequential、 paddle.nn.Layer 等，构建一个继承基类的子类，并在子类中添加层（layer，如卷积层、全连接层等）可实现网络的构建，不同基类对应不同的组网方式，本节介绍如下两种常用方法：
使用 paddle.nn.Sequential 组网：构建顺序的线性网络结构（如 LeNet、AlexNet 和 VGG）时，可以选择该方式。相比于 Layer 方式 ，Sequential 方式可以用更少的代码完成线性网络的构建。
使用 paddle.nn.Layer 组网（推荐）：构建一些比较复杂的网络结构时，可以选择该方式。相比于 Sequential 方式，Layer 方式可以更灵活地组建各种网络结构。Sequential 方式搭建的网络也可以作为子网加入 Layer 方式的组网中。
三、使用 paddle.nn.Sequential 组网¶
构建顺序的线性网络结构时，可以选择该方式，只需要按模型的结构顺序，一层一层加到 paddle.nn.Sequential 子类中即可。
参照前面图 1 所示的 LeNet 模型结构，构建该网络结构的代码如下：
from paddle import nn
# 使用 paddle.nn.Sequential 构建 LeNet 模型
lenet_Sequential = nn.Sequential(
nn.Conv2D(1, 6, 3, stride=1, padding=1),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2D(2, 2),
nn.Conv2D(6, 16, 5, stride=1, padding=0),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2D(2, 2),
nn.Flatten(),
nn.Linear(400, 120),
nn.Linear(120, 84),
nn.Linear(84, 10)
)
# 可视化模型组网结构和参数
paddle.summary(lenet_Sequential,(1, 1, 28, 28))
---------------------------------------------------------------------------
Layer (type) Input Shape Output Shape Param #
===========================================================================
Conv2D-3 [[1, 1, 28, 28]] [1, 6, 28, 28] 60
ReLU-3 [[1, 6, 28, 28]] [1, 6, 28, 28] 0
MaxPool2D-3 [[1, 6, 28, 28]] [1, 6, 14, 14] 0
Conv2D-4 [[1, 6, 14, 14]] [1, 16, 10, 10] 2,416
ReLU-4 [[1, 16, 10, 10]] [1, 16, 10, 10] 0
MaxPool2D-4 [[1, 16, 10, 10]] [1, 16, 5, 5] 0
Flatten-1 [[1, 16, 5, 5]] [1, 400] 0
Linear-4 [[1, 400]] [1, 120] 48,120
Linear-5 [[1, 120]] [1, 84] 10,164
Linear-6 [[1, 84]] [1, 10] 850
===========================================================================
Total params: 61,610
Trainable params: 61,610
Non-trainable params: 0
---------------------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.00
Forward/backward pass size (MB): 0.11
Params size (MB): 0.24
Estimated Total Size (MB): 0.35
---------------------------------------------------------------------------
{'total_params': 61610, 'trainable_params': 61610}
使用 Sequential 组网时，会自动按照层次堆叠顺序完成网络的前向计算过程，简略了定义前向计算函数的代码。由于 Sequential 组网只能完成简单的线性结构模型，所以对于需要进行分支判断的模型需要使用 paddle.nn.Layer 组网方式实现。
四、使用 paddle.nn.Layer 组网¶
构建一些比较复杂的网络结构时，可以选择该方式，组网包括三个步骤：
创建一个继承自 paddle.nn.Layer 的类；
在类的构造函数
__init__中定义组网用到的神经网络层（layer）；在类的前向计算函数
forward中使用定义好的 layer 执行前向计算。
仍然以 LeNet 模型为例，使用 paddle.nn.Layer 组网的代码如下：
# 使用 Subclass 方式构建 LeNet 模型
class LeNet(nn.Layer):
def __init__(self, num_classes=10):
super(LeNet, self).__init__()
self.num_classes = num_classes
# 构建 features 子网，用于对输入图像进行特征提取
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2D(
1, 6, 3, stride=1, padding=1),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2D(2, 2),
nn.Conv2D(
6, 16, 5, stride=1, padding=0),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2D(2, 2))
# 构建 linear 子网，用于分类
if num_classes > 0:
self.linear = nn.Sequential(
nn.Linear(400, 120),
nn.Linear(120, 84),
nn.Linear(84, num_classes)
)
# 执行前向计算
def forward(self, inputs):
x = self.features(inputs)
if self.num_classes > 0:
x = paddle.flatten(x, 1)
x = self.linear(x)
return x
lenet_SubClass = LeNet()
# 可视化模型组网结构和参数
params_info = paddle.summary(lenet_SubClass,(1, 1, 28, 28))
print(params_info)
---------------------------------------------------------------------------
Layer (type) Input Shape Output Shape Param #
===========================================================================
Conv2D-5 [[1, 1, 28, 28]] [1, 6, 28, 28] 60
ReLU-5 [[1, 6, 28, 28]] [1, 6, 28, 28] 0
MaxPool2D-5 [[1, 6, 28, 28]] [1, 6, 14, 14] 0
Conv2D-6 [[1, 6, 14, 14]] [1, 16, 10, 10] 2,416
ReLU-6 [[1, 16, 10, 10]] [1, 16, 10, 10] 0
MaxPool2D-6 [[1, 16, 10, 10]] [1, 16, 5, 5] 0
Linear-7 [[1, 400]] [1, 120] 48,120
Linear-8 [[1, 120]] [1, 84] 10,164
Linear-9 [[1, 84]] [1, 10] 850
===========================================================================
Total params: 61,610
Trainable params: 61,610
Non-trainable params: 0
---------------------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.00
Forward/backward pass size (MB): 0.11
Params size (MB): 0.24
Estimated Total Size (MB): 0.35
---------------------------------------------------------------------------
{'total_params': 61610, 'trainable_params': 61610}
在上面的代码中，将 LeNet 分为了 features 和 linear 两个子网，features 用于对输入图像进行特征提取，linear 用于输出十个数字的分类。
扩展：模型的层（Layer）¶
模型组网中一个关键组成就是神经网络层，不同的神经网络层组合在一起，从输入的数据样本中习得数据内在规律，最终输出预测结果。每个层从前一层获得输入数据，然后输出结果作为下一层的输入，并且大多数层包含可调的参数，在反向传播梯度时更新参数。
在飞桨框架中内置了丰富的神经网络层，用类（class）的方式表示，构建模型时可直接作为实例添加到子类中，只需设置一些必要的参数，并定义前向计算函数即可，反向传播和参数保存由框架自动完成。
下面展开介绍几个常用的神经网络层。
Conv2D¶
Conv2D （二维卷积层）主要用于对输入的特征图进行卷积操作，广泛用于深度学习网络中。Conv2D 根据输入、卷积核、步长（stride）、填充（padding）、空洞大小（dilations）等参数计算输出特征层大小。输入和输出是 NCHW 或 NHWC 格式，其中 N 是 batchsize 大小，C 是通道数，H 是特征高度，W 是特征宽度。
x = paddle.uniform((2, 3, 8, 8), dtype='float32', min=-1., max=1.)
conv = nn.Conv2D(3, 6, (3, 3), stride=2) # 卷积层输入通道数为3，输出通道数为6，卷积核尺寸为3*3，步长为2
y = conv(x) # 输入数据x
y = y.numpy()
print(y.shape)
(2, 6, 3, 3)
MaxPool2D¶
MaxPool2D （二维最大池化层）主要用于缩小特征图大小，根据 kernel_size 参数指定的窗口大小，对窗口内特征图进行取最大值的操作。
x = paddle.uniform((2, 3, 8, 8), dtype='float32', min=-1., max=1.)
pool = nn.MaxPool2D(3, stride=2) # 池化核尺寸为3*3，步长为2
y = pool(x) #输入数据x
y = y.numpy()
print(y.shape)
(2, 3, 3, 3)
扩展：模型的参数（Parameter）¶
在飞桨框架中，可通过网络的 parameters() 和 named_parameters() 方法获取网络在训练期间优化的所有参数（权重 weight 和偏置 bias），通过这些方法可以实现对网络更加精细化的控制，如设置某些层的参数不更新。
下面这段示例代码，通过 named_parameters() 获取了 LeNet 网络所有参数的名字和值，打印出了参数的名字（name）和形状（shape）。
for name, param in lenet.named_parameters():
print(f"Layer: {name} | Size: {param.shape}")
Layer: features.0.weight | Size: [6, 1, 3, 3]
Layer: features.0.bias | Size: [6]
Layer: features.3.weight | Size: [16, 6, 5, 5]
Layer: features.3.bias | Size: [16]
Layer: fc.0.weight | Size: [400, 120]
Layer: fc.0.bias | Size: [120]
Layer: fc.1.weight | Size: [120, 84]
Layer: fc.1.bias | Size: [84]
Layer: fc.2.weight | Size: [84, 10]
Layer: fc.2.bias | Size: [10]