caffe基础篇---solver及其配置

solver算是caffe的核心的核心，它协调着整个模型的运作。caffe程序运行必带的一个参数就是solver配置文件。运行代码一般为

caffe train --solver=*_slover.prototxt

在DL中，往往loss function是非凸的，没有解析解，我们需要通过优化方法来求解。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，从而最小化loss，实际上就是一种迭代的优化算法。

到目前的版本，caffe提供了六种优化算法来求解最优参数，在solver配置文件中通过设置type类型来选择。

• 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")

solver的流程：

1. 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设网络（通过调用另外一个配置文件prototxt来进行）
2. 通过forward和backward迭代的进行优化来更新参数
3. 定期的评价测试网络（可设定多少次训练后进行一次测试）
4. 在优化过程中显示模型和solver的状态

在每一次迭代过程中，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。

接下来看一个具体的例子

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：

• 第一行

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组成。注意的是：文件的路径要从caffe的根目录开始，其它所有配置都是这样。

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"

• 第二行

test_iter:100

这个要与test layer中的batch_size结合起来理解。mnist数据集中测试样本总数为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

• 第三行

test_interval:500

测试间隔，每训练500次，才进行一次测试

• 第四、八、九、十行

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

• 第五行

momentum ：0.9

 动量值，思想源自于物理，本次梯度下降的方向不仅仅取决于当前计算的方向，它应该是新计算的梯度方向与前面的方向矢量和，目的是防止陷入局部最小值。

• 第六行

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。

• 第七行

weight_decay: 0.0005

 权重衰减项，防止过拟合的一个参数。

• 第十一行

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。

• 第十二行

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。

• 第十三、十四行 

snapshot: 5000
snapshot_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

• 第十五行

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。