Caffe学习笔记4：特殊的层及solver最优化求解

作者: Zz鱼丸 | 来源:发表于2017-08-25 16:42 被阅读0次

今天总结一下搜到的一些知识：
感谢

http://blog.csdn.net/roslei/article/details/52807699
http://blog.csdn.net/u013066730/article/details/53764155
http://blog.csdn.net/qq_26898461/article/details/50445392

卷积神经网络（CNN）中的一些特殊层

Batch Normalization

意义： 网络训练时，用来加速收敛速度
提醒： 已经将BN集成为一个layer了，使用时需要和scale层一起使用
训练的时候，将BN层的use_global_stats设置为false； 测试的时候将
use_global_stats设置为true，不然训练的时候会报“NAN”或者模型不
收敛 – 师兄的经验，我还没试验过

用法： 详见 [残差神经网络](https://github.com/KaimingHe/deep-
residual-networks/blob/master/prototxt/ResNet-50-deploy.prototxt)的
使用

Dropout

意义： 防止模型过拟合；训练模型时，随机让网络某些隐含层节点的    
权重不工作（不工作的那些节点可以暂时认为不是网络结构的一部
分，但是它的权重得保留下来，只是暂时不更新而已，因为下次样本
输入时它可能又得工作了）
用法：
        layer { 
        name: “drop7” 
        type: “Dropout” 
        bottom: “fc7-conv” 
        top: “fc7-conv” 
        dropout_param { 
        dropout_ratio: 0.5 
        } 
        }

ReLU

 意义： 激活函数的一种；对于给定的一个输入值x，如果x > 0，
 ReLU层的输出为x，如果x < 0，ReLU层的输出为0。
 提醒： 可选参数negative_slope，此参数使得x < 0时，ReLU层的输
 出为negative_slope * x；目前已经有了ReLU的进化版 – [PReLU]
 (https://arxiv.org/abs/1502.01852)
 用法：
 layer { 
 name: “relu1” 
 type: “ReLU” 
 bottom: “conv1” 
 top: “conv1” 
 relu_param{ 
 negative_slope: [默认：0] 
 } 
 }

PReLU

 意义： ReLu的进化版；。
提醒： 在负半轴的输出乘以一个系数，而这个系数是可学习的（你可
以为其指定学习率），其中value是系数的初始值，channel_shared
指定是否在各个通道间共享这个系数。 据说有的实验更快更好地收
敛，但有的实验准确率却有所下降 - 具体效果还是得以具体实验为准
（自己没有用过，不加评论 
-用法：
 layer { 
 name: “relu1” 
 type: “PReLU” 
 bottom: “conv1” 
 top: “conv1” 
 param { 
 lr_mult: 1 
 decay_mult: 0 
 } 
 prelu_param { 
 filler: { 
 value: 0.33 #: 默认为0.25 
 } 
channel_shared: false 
} 
}

Solver最优化方法

Solver的流程：

设计好需要优化的对象，以及用于学习的训练网络和用于评估的测试网络。（通过调用另外一个配置文件prototxt来进行）
通过forward和backward迭代的进行优化来跟新参数。
定期的评价测试网络。（可设定多少次训练后，进行一次测试）
在优化过程中显示模型和solver的状态

在每一次的迭代过程中，solver做了这几步工作：
1、调用forward算法来计算最终的输出值，以及对应的loss
2、调用backward算法来计算每层的梯度
3、根据选用的slover方法，利用梯度进行参数更新
4、记录并保存每次迭代的学习率、快照，以及对应的状态。

net: "examples/mnist/lenet_train_test.prototxt"
test_iter: 100
test_interval: 500
base_lr: 0.01
momentum: 0.9
type: SGD
weight_decay: 0.0005
lr_policy: "inv"
gamma: 0.0001
power: 0.75
display: 100
max_iter: 20000
snapshot: 5000
snapshot_prefix: "examples/mnist/lenet"
solver_mode: CPU

接下来，我们对每一行进行详细解译：

net: "examples/mnist/lenet_train_test.prototxt"

设置深度网络模型。每一个模型就是一个net，需要在一个专门的配置文件中对net进行配置，每个net由许多的layer所组成。注意的是：文件的路径要从caffe的根目录开始，其它的所有配置都是这样。

也可用train_net和test_net来对训练模型和测试模型分别设定。例如：

train_net: "examples/hdf5_classification/logreg_auto_train.prototxt"
test_net: "examples/hdf5_classification/logreg_auto_test.prototxt"

接下来第二行：

test_iter: 100

这个要与test layer中的batch_size结合起来理解。mnist数据中测试样本总数为10000，一次性执行全部数据效率很低，因此我们将测试数据分成几个批次来执行，每个批次的数量就是batch_size。假设我们设置batch_size为100，则需要迭代100次才能将10000个数据全部执行完。因此test_iter设置为100。执行完一次全部数据，称之为一个epoch

test_interval: 500

测试间隔。也就是每训练500次，才进行一次测试。

base_lr: 0.01
lr_policy: "inv"
gamma: 0.0001
power: 0.75

这四行可以放在一起理解，用于学习率的设置。只要是梯度下降法来求解优化，都会有一个学习率，也叫步长。base_lr用于设置基础学习率，在迭代的过程中，可以对基础学习率进行调整。怎么样进行调整，就是调整的策略，由lr_policy来设置。

lr_policy可以设置为下面这些值，相应的学习率的计算为：

fixed:　　保持base_lr不变.
step: 　　如果设置为step,则还需要设置一个stepsize, 返回 base_lr * gamma ^ (floor(iter / stepsize)),其中iter表示当前的迭代次数
exp: 　　返回base_lr * gamma ^ iter， iter为当前迭代次数
inv:　　如果设置为inv,还需要设置一个power, 返回base_lr * (1 + gamma * iter) ^ (- power)
multistep: 如果设置为multistep,则还需要设置一个stepvalue。这个参数和step很相似，step是均匀等间隔变化，而multistep则是根据 stepvalue值变化
poly: 　　学习率进行多项式误差, 返回 base_lr (1 - iter/max_iter) ^ (power)
sigmoid:　学习率进行sigmod衰减，返回 base_lr ( 1/(1 + exp(-gamma * (iter - stepsize))))
multistep示例：

base_lr: 0.01
momentum: 0.9
weight_decay: 0.0005
# The learning rate policy
lr_policy: "multistep"
gamma: 0.9
stepvalue: 5000
stepvalue: 7000
stepvalue: 8000
stepvalue: 9000
stepvalue: 9500

接下来的参数：

momentum ：0.9

上一次梯度更新的权重

type: SGD

优化算法选择。这一行可以省掉，因为默认值就是SGD。总共有六种方法可选择，在本文的开头已介绍。

weight_decay: 0.0005

权重衰减项，防止过拟合的一个参数。

display: 100

每训练100次，在屏幕上显示一次。如果设置为0，则不显示。

max_iter: 20000

最大迭代次数。这个数设置太小，会导致没有收敛，精确度很低。设置太大，会导致震荡，浪费时间。

snapshot: 5000snapshot_prefix: "examples/mnist/lenet"

快照。将训练出来的model和solver状态进行保存，snapshot用于设置训练多少次后进行保存，默认为0，不保存。snapshot_prefix设置保存路径。
还可以设置snapshot_diff，是否保存梯度值，默认为false,不保存。
也可以设置snapshot_format，保存的类型。有两种选择：HDF5 和BINARYPROTO ，默认为BINARYPROTO

solver_mode: CPU

设置运行模式。默认为GPU,如果你没有GPU,则需要改成CPU,否则会出错。

注意：以上的所有参数都是可选参数，都有默认值。根据solver方法（type)的不同，还有一些其它的参数，在此不一一列举。

caffe总共提供了六种优化方法：

Stochastic Gradient Descent (type: "SGD")
AdaDelta (type: "AdaDelta")
Adaptive Gradient (type: "AdaGrad")
Adam (type: "Adam")
Nesterov’s Accelerated Gradient (type: "Nesterov") and
RMSprop (type: "RMSProp")

1、Stochastic gradient descent（SGD)
随机梯度下降（Stochastic gradient descent）是在梯度下降法（gradient descent）的基础上发展起来的，梯度下降法也叫最速下降法，具体原理在网易公开课《机器学习》中，吴恩达教授已经讲解得非常详细。SGD在通过负梯度

和上一次的权重更新值Vt
的线性组合来更新W，迭代公式如下：

如果v(t)初始值为0，v(t+1)的方向就与梯度的负方向相同，那么会加速优化，又由于u<1，所以在n多次后可近似看成v1 的 n次方，那么v(t+1)也会变化很小，那时也正是梯度变化很小的时候，所以这种方式还是很有用的。其中，

是负梯度的学习率(base_lr)，

是上一次梯度值的权重（momentum），用来加权之前梯度方向对现在梯度下降方向的影响。这两个参数需要通过tuning来得到最好的结果，一般是根据经验设定的。如果你不知道如何设定这些参数，可以参考相关的论文。
在深度学习中使用SGD，比较好的初始化参数的策略是把学习率设为0.01左右（base_lr: 0.01)，在训练的过程中，如果loss开始出现稳定水平时，对学习率乘以一个常数因子（gamma），这样的过程重复多次。
对于momentum，一般取值在0.5--0.99之间。通常设为0.9，momentum可以让使用SGD的深度学习方法更加稳定以及快速。
关于更多的momentum，请参看Hinton的《A Practical Guide to Training Restricted Boltzmann Machines》。
实例：

base_lr: 0.01   
lr_policy: "step"  
gamma: 0.1     
stepsize: 1000    
max_iter: 3500   
momentum: 0.9

lr_policy设置为step,则学习率的变化规则为 base_lr * gamma ^ (floor(iter / stepsize))
即前1000次迭代，学习率为0.01; 第1001-2000次迭代，学习率为0.001; 第2001-3000次迭代，学习率为0.0001，第3001-3500次迭代，学习率为10-5

上面的设置只能作为一种指导，它们不能保证在任何情况下都能得到最佳的结果，有时候这种方法甚至不work。如果学习的时候出现diverge（比如，你一开始就发现非常大或者NaN或者inf的loss值或者输出），此时你需要降低base_lr的值（比如，0.001），然后重新训练，这样的过程重复几次直到你找到可以work的base_lr。
2、AdaDelta
AdaDelta是一种”鲁棒的学习率方法“，是基于梯度的优化方法（like SGD）。
具体的介绍文献：
M. Zeiler ADADELTA: AN ADAPTIVE LEARNING RATE METHOD. arXiv preprint, 2012.
示例：

net: "examples/mnist/lenet_train_test.prototxt"  
test_iter: 100  
test_interval: 500  
base_lr: 1.0  
lr_policy: "fixed"  
momentum: 0.95  
weight_decay: 0.0005  
display: 100  
max_iter: 10000  
snapshot: 5000  
snapshot_prefix: "examples/mnist/lenet_adadelta"  
solver_mode: GPU  
type: "AdaDelta"  
delta: 1e-6

从最后两行可看出，设置solver type为Adadelta时，需要设置delta的值。
3、AdaGrad
自适应梯度（adaptive gradient）是基于梯度的优化方法（like SGD）
具体的介绍文献：
Duchi, E. Hazan, and Y. Singer. Adaptive Subgradient Methods for Online Learning and Stochastic Optimization. The Journal of Machine Learning Research, 2011.
示例：

net: "examples/mnist/mnist_autoencoder.prototxt"  
test_state: { stage: 'test-on-train' }  
test_iter: 500  
test_state: { stage: 'test-on-test' }  
test_iter: 100  
test_interval: 500  
test_compute_loss: true  
base_lr: 0.01  
lr_policy: "fixed"  
display: 100  
max_iter: 65000  
weight_decay: 0.0005  
snapshot: 10000  
snapshot_prefix: "examples/mnist/mnist_autoencoder_adagrad_train"  
# solver mode: CPU or GPU  
solver_mode: GPU  
type: "AdaGrad"

4、Adam
是一种基于梯度的优化方法（like SGD）。
具体的介绍文献：
D. Kingma, J. Ba. Adam: A Method for Stochastic Optimization. International Conference for Learning Representations, 2015.
5、NAG
Nesterov 的加速梯度法（Nesterov’s accelerated gradient）作为凸优化中最理想的方法，其收敛速度非常快。
具体的介绍文献：
I. Sutskever, J. Martens, G. Dahl, and G. Hinton. On the Importance of Initialization and Momentum in Deep Learning. Proceedings of the 30th International Conference on Machine Learning, 2013.
示例：

net: "examples/mnist/mnist_autoencoder.prototxt"  
test_state: { stage: 'test-on-train' }  
test_iter: 500  
test_state: { stage: 'test-on-test' }  
test_iter: 100  
test_interval: 500  
test_compute_loss: true  
base_lr: 0.01  
lr_policy: "step"  
gamma: 0.1  
stepsize: 10000  
display: 100  
max_iter: 65000  
weight_decay: 0.0005  
snapshot: 10000  
snapshot_prefix: "examples/mnist/mnist_autoencoder_nesterov_train"  
momentum: 0.95  
# solver mode: CPU or GPU  
solver_mode: GPU  
type: "Nesterov"

6、RMSprop
RMSprop是Tieleman在一次 Coursera课程演讲中提出来的，也是一种基于梯度的优化方法（like SGD）
具体的介绍文献：
T. Tieleman, and G. Hinton. RMSProp: Divide the gradient by a running average of its recent magnitude. COURSERA: Neural Networks for Machine Learning.Technical report, 2012.
示例：

net: "examples/mnist/lenet_train_test.prototxt"  
test_iter: 100  
test_interval: 500  
base_lr: 1.0  
lr_policy: "fixed"  
momentum: 0.95  
weight_decay: 0.0005  
display: 100  
max_iter: 10000  
snapshot: 5000  
snapshot_prefix: "examples/mnist/lenet_adadelta"  
solver_mode: GPU  
type: "RMSProp"  
rms_decay: 0.98  

最后两行，需要设置rms_decay值。

Caffe学习笔记4：特殊的层及solver最优化求解

卷积神经网络（CNN）中的一些特殊层

Batch Normalization

Dropout

ReLU

PReLU

Solver最优化方法

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