Caffe最优求解过程及I/O模块

Google Openimages Dataset

1. Caffe最优求解过程

1.1 Solver介绍

Caffe结构

Caffe的重中之重（核心）——Solver
负责对模型优化，让损失函数(loss function)达到全局最小。
solver的主要作用就是交替调用前向（forward)算法和后向（backward)算法来更新参数，实际上就是一种迭代的优化算法。
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。

1.2 Solver参数配置

Solver参数配置文件

message SolverParameter {
  ……
}

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:
train_net:"examples/mnist/lenet_train_test.prototxt"
test_net:"examples/mnist/lenet_test_test.prototxt"
test_iter: 100
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
在训练集中每迭代500次，在测试集进行一次测试。

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

这四个参数用于学习率的设置。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))))

weight_decay: 0.0005
momentum ：0.9
type: SGD

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

1.3 Solver优化方式

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。
对于RMSProp，AdaGrad, AdaDelta and Adam , 还可以设置delta参数。
对于Adam solver， 设置momentum2
对于RMSProp, 设置rms_decay

2. Caffe的I/O模块

2.1 对Layer做参数配置（Datalayer为例）

layer {
  name: "cifar"
  type: "Data"
  top: "data"
  top: "label"
  include {
    phase: TRAIN
  }
  transform_param {
    scale: 0.00390625
  }
  data_param {
    source: "cifar10_train_lmdb"
    batch_size: 100
    backend: LMDB
  }
}

name: 表示该层的名称，可随意取。
type: 层类型，如果是Data，表示数据来源于LevelDB或LMDB。根据数据的来源不同，数据层的类型也不同。
top或bottom: 每一层用bottom来输入数据，用top来输出数据。如果只有top没有bottom，则此层只有输出，没有输入。反之亦然。如果有多个 top或多个bottom，表示有多个blobs数据的输入和输出。
data 与 label: 在数据层中，至少有一个命名为data的top。如果有第二个top，一般命名为label。 这种(data,label)配对是分类模型所必需的。
include: 一般训练的时候和测试的时候，模型的层是不一样的。该层（layer）是属于训练阶段的层，还是属于测试阶段的层，需要用include来指定。如果没有include参数，则表示该层既在训练模型中，又在测试模型中。
Transformations: 数据的预处理，可以将数据变换到定义的范围内。如设置scale为0.00390625，实际上就是1/255, 即将输入数据由0-255归一化到0-1之间。
所有数据预处理都在这里设置：

transform_param {
    scale: 0.00390625
    mean_file_size: “examples/cifar10/mean.binaryproto"  # 用一个配置文件来进行均值操作
    mirror: 1  # 1表示开启镜像，0表示关闭，也可用ture和false来表示
    crop_size: 227  # 剪裁一个 227*227的图块，在训练阶段随机剪裁，在测试阶段从中间裁剪
  }

• 通常数据的预处理（如减去均值, 放大缩小, 裁剪和镜像等），Caffe使用OpenCV做处理。

1. 数据来自于数据库（如LevelDB和LMDB）
   层类型（layer type）:Data
   必须设置的参数：
   source包含数据库的目录名称，如examples/mnist/mnist_train_lmdb
   batch_size每次处理的数据个数，如64
   可选的参数：
   rand_skip在开始的时候，路过某个数据的输入。通常对异步的SGD很有用。
   backend选择是采用LevelDB还是LMDB, 默认是LevelDB.
2. 数据来自于内存
   层类型：MemoryData
   必须设置的参数：
   batch_size每一次处理的数据个数，比如2
   channels通道数
   height高度
   width:宽度

layer {
  top: "data"
  top: "label"
  name: "memory_data"
  type: "MemoryData"
  memory_data_param{
    batch_size: 2
    height: 100
    width: 100
    channels: 1
  }
  transform_param {
    scale: 0.0078125
    mean_file: "mean.proto"
    mirror: false
  }
}

3. 数据来自于图片
   层类型：ImageData
   必须设置的参数：
   source一个文本文件的名字，每一行给定一个图片文件的名称和标签（label)
   batch_size每一次处理的数据个数，即图片数
   可选参数：
   rand_skip在开始的时候，路过某个数据的输入。通常对异步的SGD很有用。
   shuffle随机打乱顺序，默认值为false
   new_height,new_width如果设置，则将图片进行resize

layer {
  name: "data"
  type: "ImageData"
  top: "data"
  top: "label"
  transform_param {
    mirror: false
    crop_size: 227
    mean_file: "data/ilsvrc12/imagenet_mean.binaryproto"
  }
  image_data_param {
    source: "examples/_temp/file_list.txt"
    batch_size: 50
    new_height: 256
    new_width: 256
  }
}

4. 数据来自于HDF5
   层类型：HDF5Data
   必须设置的参数：
   source读取的文件名称
   batch_size每一次处理的数据个数

layer {
  name: "data"
  type: "HDF5Data"
  top: "data"
  top: "label"
  hdf5_data_param {
    source: "examples/hdf5_classification/data/train.txt"
    batch_size: 10
  }
}

5. 数据来源于Windows
   层类型：WindowData
   必须设置的参数：
   source一个文本文件的名字
   batch_size每一次处理的数据个数，即图片数

layer{…
    window_data_param…
}

2.2 将图片数据转化为LMDB数据集

第一步：创建图片文件列表清单，一般为一个txt文件，一行一张图片
第二步：使用Caffe工具命令
convert_imageset [FLAGS] [ROOTFOLDER/] [LISTFILE] [DB_NAME]
需要带四个参数：
FLAGS图片参数组
- gray: 是否以灰度图的方式打开图片。程序调用opencv库中的imread()函数来打开图片，默认为false
- shuffle: 是否随机打乱图片顺序。默认为false
- backend:需要转换成的db文件格式，可选为leveldb或lmdb,默认为lmdb
- resize_width/resize_height: 改变图片的大小。在运行中，要求所有图片的尺寸一致，因此需要改变图片大小。 程序调用opencv库的resize（）函数来对图片放大缩小，默认为0，不改变
- check_size: 检查所有的数据是否有相同的尺寸。默认为false,不检查
- encoded: 是否将原图片编码放入最终的数据中，默认为false
- encode_type: 与前一个参数对应，将图片编码为哪一个格式：‘png','jpg'......

ROOTFOLDER/图片存放的绝对路径，从linux系统根目录开始
LISTFILE图片文件列表清单，一般为一个txt文件，一行一张图片
DB_NAME最终生成的db文件存放目录
有/test/female/,/test/male,/train/female/,/test/male/文件夹放有图片
label_name.txt

0 female
1 male

ls train/female/
ls train/female | sed "s:^:female/:" | sed "s:$: 0:" >> t_train.txt
ls train/male | sed "s:^:male/:" | sed "s:$: 1:" >> t_train.txt
ls test/female | sed "s:^:female/:" | sed "s:$: 0:" >> t_test.txt
ls test/male | sed "s:^:male/:" | sed "s:$: 1:" >> t_test.txt
convert_imageset --resize_width=40 --resize_height=40 /home/yourname/samples/caffe/data/train/ ./t_train.txt ./t_train_lmdb
convert_imageset --resize_width=40 --resize_height=40 /home/yourname/samples/caffe/data/test/ ./t_test.txt ./t_test_lmdb

3. 使用训练好的模型

3.1 均值文件

将所有训练样本的均值保存为文件
图片减去均值后，再进行训练和测试，会提高速度和精度
运行方法：（使用Caffe工具）
compute_image_mean [train_lmdb] [mean.binaryproto]

3.2 deploy文件改写

1. 把数据层（Data Layer）和连接数据层的Layers去掉(即top:data的层)
2. 去掉输出层和连接输出层的Layers（即bottom:label）
3. 重新建立输入

input: "data"
input_shape {
  dim: 1 # batchsize,每次forward的时候输入的图片个数
  dim: 3 # number of colour channels - rgb
  dim: 28 # width
  dim: 28 # height
}

4. 重新建立输出

layer {
  name: "prob"
  type: "Softmax"
  bottom: "ip2"
  top: "prob"
}

• 修改后的mnist的deploy文件可以参考caffe/example/mnist/lenet_train.prototxt

使用修改后的mnist的deploy文件，输入一张图片，输出分类结果。
lenet_iter_10000.caffemodel
mnist_deploy.prototxt
test_mnist.cpp
代码

g++ -o test_mnist test_mnist.cpp -lopencv_dnn -lopencv_highgui -lopencv_imgcodecs -lopencv_imgproc -lstdc++ -lopencv_core
./test_mnist

3.4 fine turning微调网络

1. 准备新数据的数据库（如果需要用mean file,还要准备对应的新的mean file）, 具体方法和图片转换lmdb方式一样。
2. 调整网络层参数：
   将来训练的网络配置prototxt中的数据层source换成新数据的数据库。
   调整学习率，因为最后一层是重新学习，因此需要有更快的学习速率相比较其他层，因此我们将，weight和bias的学习速率加快。
3. 修改solver参数
   原来的数据是从原始数据开始训练的，因此一般来说学习速率、步长、迭代次数都比较大，fine turning微调时，因为数据量可能减少了，所以一般来说，test_iter,base_lr,stepsize都要变小一点，其他的策略可以保持不变。
4. 重新训练时，要指定之前的权值文件：
   # caffe train --solver [新的solver文件] --weights [旧的caffemodel]