NeuronLayer,顾名思义这里就是神经元,激活函数的相应层。我们知道在blob进入激活函数之前和之后他的size是不会变的,而且激活值也就是输出 \(y\) 只依赖于相应的输入 \(x\)。在Caffe里面所有的layer的实现都放在src文件夹下的layer文件夹中,基本上很多文章里应用到的layer类型它都有cpu和cuda的实现。
在caffe里面NeuronLayer比较多,在此罗列了一下
Caffe里面的Neuron种类比较多方便人们使用,这里我们着重关注几个主要的Neuro_layer
目前在激活层的函数中使用ReLU是非常普遍的,一般我们在看资料或者讲义中总是提到的是Sigmoid函数,它比Sigmoid有更快的收敛性,因为sigmoid在收敛的时候越靠近目标点收敛的速度会越慢,也是其函数的曲线形状决定的。而ReLULayer则相对收敛更快,具体可以看Krizhevsky 12年的那篇ImageNet CNN文章有更详细的介绍。
其计算的公式是:
\[y = \max(0, x)\]
如果有负斜率式子变为:
\[ y = \max(0, x) + \nu \min(0, x)\]
反向传播的公式
\[ \frac{\partial E}{\partial x} = \left\{ \begin{array}{lr} \nu \frac{\partial E}{\partial y} & \mathrm{if} \; x \le 0 \\ \frac{\partial E}{\partial y} & \mathrm{if} \; x > 0 \end{array} \right. \]
其在cafffe中的forward和backward函数为
template <typename Dtype>
void ReLULayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();
Dtype* top_data = top[0]->mutable_cpu_data();
const int count = bottom[0]->count();
Dtype negative_slope = this->layer_param_.relu_param().negative_slope();
for (int i = 0; i < count; ++i) {
top_data[i] = std::max(bottom_data[i], Dtype(0))
+ negative_slope * std::min(bottom_data[i], Dtype(0));
}
}
template <typename Dtype>
void ReLULayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,
const vector<bool>& propagate_down,
const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {
if (propagate_down[0]) {
const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();
const Dtype* top_diff = top[0]->cpu_diff();
Dtype* bottom_diff = bottom[0]->mutable_cpu_diff();
const int count = bottom[0]->count();
Dtype negative_slope = this->layer_param_.relu_param().negative_slope();
for (int i = 0; i < count; ++i) {
bottom_diff[i] = top_diff[i] * ((bottom_data[i] > 0)
+ negative_slope * (bottom_data[i] <= 0));
}
}
}
Sigmoid函数,也称为阶跃函数,函数曲线是一个优美的S形。目前使用Sigmoid函数已经不多了,大多使用ReLU来代替,其对应的激活函数为:
\[y = (1 + \exp(-x))^{-1}\]
其反向传播时
\[\frac{\partial E}{\partial x} = \frac{\partial E}{\partial y} y (1 - y)\]
其相应的forward和backward的函数为
template <typename Dtype>
void SigmoidLayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();
Dtype* top_data = top[0]->mutable_cpu_data();
const int count = bottom[0]->count();
for (int i = 0; i < count; ++i) {
top_data[i] = sigmoid(bottom_data[i]);
}
}
template <typename Dtype>
void SigmoidLayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,
const vector<bool>& propagate_down,
const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {
if (propagate_down[0]) {
const Dtype* top_data = top[0]->cpu_data();
const Dtype* top_diff = top[0]->cpu_diff();
Dtype* bottom_diff = bottom[0]->mutable_cpu_diff();
const int count = bottom[0]->count();
for (int i = 0; i < count; ++i) {
const Dtype sigmoid_x = top_data[i];
bottom_diff[i] = top_diff[i] * sigmoid_x * (1. - sigmoid_x);
}
}
}
DropoutLayer现在是非常常用的一种网络层,只用在训练阶段,一般用在网络的全连接层中,可以减少网络的过拟合问题。其思想是在训练过程中随机的将一部分输入x之置为0。
\[y_{\mbox{train}} = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{x}{1 - p} & \mbox{if } u > p \\ 0 & \mbox{otherwise} \end{array} \right. \]
其forward_cpu和backward_cpu为:
template <typename Dtype>
void DropoutLayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();
Dtype* top_data = top[0]->mutable_cpu_data();
unsigned int* mask = rand_vec_.mutable_cpu_data();
const int count = bottom[0]->count();
if (this->phase_ == TRAIN) {
// Create random numbers构造随机数,这里是通过向量掩码来和bottom的数据相乘,scale_是控制undropped的比例
caffe_rng_bernoulli(count, 1. - threshold_, mask);
for (int i = 0; i < count; ++i) {
top_data[i] = bottom_data[i] * mask[i] * scale_;
}
} else {
caffe_copy(bottom[0]->count(), bottom_data, top_data);
}
}
template <typename Dtype>
void DropoutLayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,
const vector<bool>& propagate_down,
const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {
if (propagate_down[0]) {
const Dtype* top_diff = top[0]->cpu_diff();
Dtype* bottom_diff = bottom[0]->mutable_cpu_diff();
if (this->phase_ == TRAIN) {
const unsigned int* mask = rand_vec_.cpu_data();
const int count = bottom[0]->count();
for (int i = 0; i < count; ++i) {
bottom_diff[i] = top_diff[i] * mask[i] * scale_;
}
} else {
caffe_copy(top[0]->count(), top_diff, bottom_diff);
}
}
}