解决VGG模型从零训练不收敛问题：数据预处理层级联错误分析与修正

在深度学习模型训练过程中，尤其是在从零开始训练大型卷积神经网络（CNN）如VGG系列时，模型不收敛或准确率停滞在极低水平是一个常见但令人困惑的问题。尽管AlexNet等相对简单的模型可能表现良好，VGG16和VGG19却可能完全无法学习，其训练准确率甚至无法突破0.1。这种现象通常指向模型结构、数据预处理或训练配置中的潜在错误。

问题描述与初步观察

某项研究旨在利用CNN进行掌纹识别，并在FYODB数据集上训练了包括AlexNet、VGG16和VGG19在内的多种模型。实验发现，AlexNet模型能够达到95%以上的测试准确率，但VGG16和VGG19模型在从零训练时却表现出严重的学习障碍，训练准确率始终徘徊在极低水平。值得注意的是，当使用预训练的VGG16权重进行迁移学习时，模型性能正常，同样能达到95%以上的准确率。这表明VGG模型的架构本身并非问题所在，而是在从零训练的特定设置中存在缺陷。

所使用的图像尺寸为(224, 224, 3)，数据集包含160个类别和6400个样本。训练过程采用Keras框架，并定义了数据增强层和VGG模型结构。以下是VGG16模型构建代码片段中的关键部分：

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data_augmentation = keras.Sequential(
    [
        layers.RandomFlip("horizontal"),
        layers.RandomRotation(0.1),
        layers.RandomZoom(0.1),
        layers.RandomContrast(0.1),
        layers.RandomTranslation(0.1, 0.1),
        layers.RandomHeight(0.1),
        layers.RandomWidth(0.1),
    ]
)

def make_vgg16_model(input_shape, num_classes):
    inputs = keras.Input(shape=input_shape)

    # Block 1 - 存在问题的代码段
    x = data_augmentation(inputs)  # 应用数据增强
    x = layers.Rescaling(1.0 / 255)(inputs) # 应用归一化
    x = layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same')(inputs) # 第一个卷积层
    x = layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same')(x)
    x = layers.MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2))(x)

    # ... 后续VGG层定义省略 ...

    # Flatten and Fully Connected Layers
    x = layers.Flatten()(x)
    x = layers.Dense(4096, activation='relu')(x)
    x = layers.Dropout(0.5)(x)
    x = layers.Dense(4096, activation='relu')(x)
    x = layers.Dropout(0.5)(x)
    outputs = layers.Dense(num_classes, activation='softmax')(x)

    return keras.Model(inputs, outputs)

训练输出示例显示，模型的准确率始终维持在极低水平，例如0