# 5.2 利用模型块快速搭建复杂网络

上一节中我们介绍了怎样定义PyTorch的模型，其中给出的示例都是用`torch.nn`中的层来完成的。这种定义方式易于理解，在实际场景下不一定利于使用。当模型的深度非常大时候，使用`Sequential`定义模型结构需要向其中添加几百行代码，使用起来不甚方便。

对于大部分模型结构（比如ResNet、DenseNet等），我们仔细观察就会发现，虽然模型有很多层， 但是其中有很多重复出现的结构。考虑到每一层有其输入和输出，若干层串联成的”模块“也有其输入和输出，如果我们能将这些重复出现的层定义为一个”模块“，每次只需要向网络中添加对应的模块来构建模型，这样将会极大便利模型构建的过程。

本节我们将以U-Net为例，介绍如何构建模型块，以及如何利用模型块快速搭建复杂模型。

经过本节的学习，你将收获：

- 利用上一节学到的知识，将简单层构建成具有特定功能的模型块
- 利用模型块构建复杂网络



## 5.2.1 U-Net简介

U-Net是分割 (Segmentation) 模型的杰作，在以医学影像为代表的诸多领域有着广泛的应用。U-Net模型结构如下图所示，通过残差连接结构解决了模型学习中的退化问题，使得神经网络的深度能够不断扩展。

![unet](./figures/5.2.1unet.png)



## 5.2.2 U-Net模型块分析

结合上图，不难发现U-Net模型具有非常好的对称性。模型从上到下分为若干层，每层由左侧和右侧两个模型块组成，每侧的模型块与其上下模型块之间有连接；同时位于同一层左右两侧的模型块之间也有连接，称为“Skip-connection”。此外还有输入和输出处理等其他组成部分。由于模型的形状非常像英文字母的“U”，因此被命名为“U-Net”。

组成U-Net的模型块主要有如下几个部分：

- 每个子块内部的两次卷积（Double Convolution）

- 左侧模型块之间的下采样连接，即最大池化（Max pooling）

- 右侧模型块之间的上采样连接（Up sampling）

- 输出层的处理

除模型块外，还有模型块之间的横向连接，输入和U-Net底部的连接等计算，这些单独的操作可以通过forward函数来实现。

下面我们用PyTorch先实现上述的模型块，然后再利用定义好的模型块构建U-Net模型。



## 5.2.3 U-Net模型块实现

在使用PyTorch实现U-Net模型时，我们不必把每一层按序排列显式写出，这样太麻烦且不宜读，一种比较好的方法是先定义好模型块，再定义模型块之间的连接顺序和计算方式。就好比装配零件一样，我们先装配好一些基础的部件，之后再用这些可以复用的部件得到整个装配体。

这里的基础部件对应上一节分析的四个模型块，根据功能我们将其命名为：`DoubleConv`, `Down`, `Up`, `OutConv`。下面给出U-Net中模型块的PyTorch 实现：

```python
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
```

```python
class DoubleConv(nn.Module):
    """(convolution => [BN] => ReLU) * 2"""

    def __init__(self, in_channels, out_channels, mid_channels=None):
        super().__init__()
        if not mid_channels:
            mid_channels = out_channels
        self.double_conv = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels, mid_channels, kernel_size=3, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(mid_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(mid_channels, out_channels, kernel_size=3, padding=1, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

    def forward(self, x):
        return self.double_conv(x)

```

```python
class Down(nn.Module):
    """Downscaling with maxpool then double conv"""

    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super().__init__()
        self.maxpool_conv = nn.Sequential(
            nn.MaxPool2d(2),
            DoubleConv(in_channels, out_channels)
        )

    def forward(self, x):
        return self.maxpool_conv(x)

```

```python
class Up(nn.Module):
    """Upscaling then double conv"""

    def __init__(self, in_channels, out_channels, bilinear=False):
        super().__init__()

        # if bilinear, use the normal convolutions to reduce the number of channels
        if bilinear:
            self.up = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
            self.conv = DoubleConv(in_channels, out_channels, in_channels // 2)
        else:
            self.up = nn.ConvTranspose2d(in_channels, in_channels // 2, kernel_size=2, stride=2)
            self.conv = DoubleConv(in_channels, out_channels)

    def forward(self, x1, x2):
        x1 = self.up(x1)
        # input is CHW
        diffY = x2.size()[2] - x1.size()[2]
        diffX = x2.size()[3] - x1.size()[3]

        x1 = F.pad(x1, [diffX // 2, diffX - diffX // 2,
                        diffY // 2, diffY - diffY // 2])
        # if you have padding issues, see
        # https://github.com/HaiyongJiang/U-Net-Pytorch-Unstructured-Buggy/commit/0e854509c2cea854e247a9c615f175f76fbb2e3a
        # https://github.com/xiaopeng-liao/Pytorch-UNet/commit/8ebac70e633bac59fc22bb5195e513d5832fb3bd
        x = torch.cat([x2, x1], dim=1)
        return self.conv(x)

```

```python
class OutConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(OutConv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1)

    def forward(self, x):
        return self.conv(x)
```



## 5.2.4 利用模型块组装U-Net

使用上面我们定义好的模型块，我们就可以非常方便地组装U-Net模型。可以看到，通过模型块的方式实现了代码复用，整个模型结构定义所需的代码总行数明显减少，代码可读性也得到了提升。

```python
class UNet(nn.Module):
    def __init__(self, n_channels, n_classes, bilinear=False):
        super(UNet, self).__init__()
        self.n_channels = n_channels
        self.n_classes = n_classes
        self.bilinear = bilinear

        self.inc = DoubleConv(n_channels, 64)
        self.down1 = Down(64, 128)
        self.down2 = Down(128, 256)
        self.down3 = Down(256, 512)
        factor = 2 if bilinear else 1
        self.down4 = Down(512, 1024 // factor)
        self.up1 = Up(1024, 512 // factor, bilinear)
        self.up2 = Up(512, 256 // factor, bilinear)
        self.up3 = Up(256, 128 // factor, bilinear)
        self.up4 = Up(128, 64, bilinear)
        self.outc = OutConv(64, n_classes)

    def forward(self, x):
        x1 = self.inc(x)
        x2 = self.down1(x1)
        x3 = self.down2(x2)
        x4 = self.down3(x3)
        x5 = self.down4(x4)
        x = self.up1(x5, x4)
        x = self.up2(x, x3)
        x = self.up3(x, x2)
        x = self.up4(x, x1)
        logits = self.outc(x)
        return logits
```



## 参考资料

1. https://github.com/milesial/Pytorch-UNet