caffe入门学习

转载自：深度学习（六）caffe入门学习 - hjimce的专栏 - 博客频道 - CSDN.NET
http://blog.csdn.net/hjimce/article/details/48933813

本文主要讲解caffe的整个使用流程，适用于初级入门caffe，通过学习本篇博文，理清项目训练、测试流程。初级教程，高手请绕道。

我们知道，在caffe编译完后，在caffe目录下会生成一个build目录，在build目录下有个tools，这个里面有个可执行文件caffe，如下图所示：

有了这个可执行文件我们就可以进行模型的训练，只需要学会调用这个可执行文件就可以了，这便是最简单的caffe学习，不需要对caffe底层的东西懂太多，只需要会调参数，就可以构建自己的网络，然后调用这个可执行文件就可以进行训练，当然如果你不仅仅是调参数，而且想要更改相关的算法，那就要深入学习caffe的底层函数调用了，这个以后再讲。本篇博文仅适合于刚入门学习caffe，高手请绕道。废话不多说，回归正题：

一、总流程

完成一个简单的自己的网络模型训练预测，主要包含几个步骤：

1、数据格式处理，也就是把我们的图片.jpg,.png等图片以及标注标签,打包在一起，搞成caffe可以直接方便调用的文件。后面我将具体讲解如何打包自己的数据，让caffe进行调用。

2、编写网络结构文件，这个文件的后缀格式是.prototxt。就是编写你的网络有多少层，每一层有多少个特征图，输入、输出……。看个例子，看一下caffe-》example-》mnist-》lenet_train_test.prototxt。这个便是手写字体网络结构文件了，我们需要根据自己的需要学会修改这个文件：

 <span style="font-size:18px;">name: "LeNet"
 layer {
   name: "mnist"
   type: "Data"  //data层
   top: "data"
   top: "label"
   include {
     phase: TRAIN   //训练阶段
   }
   transform_param {
     scale: 0.00390625   //对所有的图片归一化到0~1之间，也就是对输入数据全部乘以scale，0.0039= 1/255
   }
   data_param {
     source: "examples/mnist/mnist_train_lmdb"  //训练数据图片路径
     batch_size: 64    //每次训练采用的图片64张，min-batch
     backend: LMDB
   }
 }
 layer {
   name: "mnist"
   type: "Data"
   top: "data"
   top: "label"
   include {
     phase: TEST   //测试
   }
   transform_param {
     scale: 0.00390625
   }
   data_param {
     source: "examples/mnist/mnist_test_lmdb" //测试数据图片路径
     batch_size: 100
     backend: LMDB
   }
 }
 layer {
   name: "conv1"   //卷积神经网络的第一层，卷积层
   type: "Convolution"  //这层操作为卷积
   bottom: "data"   //这一层的前一层是data层
   top: "conv1"   //
   param {
     lr_mult: 1
   }
   param {
     lr_mult: 2
   }
   convolution_param {
     num_output: 20    //定义输出特征图个数
     kernel_size: 5    //定义卷积核大小
     stride: 1
     weight_filler {
       type: "xavier"
     }
     bias_filler {
       type: "constant"
     }
   }
 }
 layer {
   name: "pool1"
   type: "Pooling"      //池化层，这一层的操作为池化
   bottom: "conv1"   //这一层的前面一层名字为：conv1
   top: "pool1"
   pooling_param {
     pool: MAX   //最大池化
     kernel_size: 2
     stride: 2
   }
 }
 layer {
   name: "conv2"
   type: "Convolution"
   bottom: "pool1"
   top: "conv2"
   param {
     lr_mult: 1
   }
   param {
     lr_mult: 2
   }
   convolution_param {
     num_output: 50
     kernel_size: 5
     stride: 1
     weight_filler {
       type: "xavier"
     }
     bias_filler {
       type: "constant"
     }
   }
 }
 layer {
   name: "pool2"
   type: "Pooling"
   bottom: "conv2"
   top: "pool2"
   pooling_param {
     pool: MAX
     kernel_size: 2
     stride: 2
   }
 }
 layer {
   name: "ip1"
   type: "InnerProduct"
   bottom: "pool2"
   top: "ip1"
   param {
     lr_mult: 1
   }
   param {
     lr_mult: 2
   }
   inner_product_param {
     num_output: 500
     weight_filler {
       type: "xavier"
     }
     bias_filler {
       type: "constant"
     }
   }
 }
 layer {
   name: "relu1"
   type: "ReLU"
   bottom: "ip1"
   top: "ip1"
 }
 layer {
   name: "ip2"
   type: "InnerProduct"
   bottom: "ip1"
   top: "ip2"
   param {
     lr_mult: 1
   }
   param {
     lr_mult: 2
   }
   inner_product_param {
     num_output: 10
     weight_filler {
       type: "xavier"
     }
     bias_filler {
       type: "constant"
     }
   }
 }
 layer {
   name: "accuracy"
   type: "Accuracy"
   bottom: "ip2"
   bottom: "label"
   top: "accuracy"
   include {
     phase: TEST
   }
 }
 layer {
   name: "loss"
   type: "SoftmaxWithLoss"
   bottom: "ip2"
   bottom: "label"
   top: "loss"
 }</span>

上面的网络结构，定义的data层，就是定义我们输入的训练数据的路径、图片变换等。

3、网络求解文件，这个文件我们喜欢把它取名为：solver.prototxt，这个文件的后缀格式也是.prototxt。这个文件主要包含了一些求解网络，梯度下降参数、迭代次数等参数……，看下手写字体的solver.prototxt文件：

 <span style="font-size:18px;">net: "examples/mnist/lenet_train_test.prototxt"  //定义网络结构文件，也就是我们上一步编写的文件

 test_iter: 100

 test_interval: 500 //每隔500次用测试数据，做一次验证

 base_lr: 0.01     //学习率
 momentum: 0.9   //动量参数
 weight_decay: 0.0005   //权重衰减系数

 lr_policy: "inv"   //梯度下降的相关优化策略
 gamma: 0.0001
 power: 0.75

 display: 100

 max_iter: 10000   //最大迭代次数

 snapshot: 5000    //每迭代5000次，保存一次结果
 snapshot_prefix: "examples/mnist/lenet" //保存结果路径

 solver_mode: GPU   //训练硬件设备选择GPU还是CPU</span>

这个文件的输入就是我们前面一步定义的网络结构。

4、编写网络求解文件后，我们可以说已经完成了CNN网络的编写。接着我们需要把这个文件，作为caffe的输入参数，调用caffe可执行文件，进行训练就可以了。具体的命令如下：

 <span style="font-size:18px;">./build/tools/caffe train --solver=examples/mnist/lenet_solver.prototxt</span>

这样就完事了，程序就开始训练了。上面的第一个参数caffe，就是我们在编译caffe，生成的可执行文件：

然后solver就是我们在步骤3编写的solver文件了，只要在ubuntu终端输入上面的命令，就可以开始训练了。

回想一下文件调用过程：首先caffe可执行文件，调用了solver.prototxt文件，而这个文件又调用了网络结构文件lenet_train_test.prototxt，然后lenet_train_test.prototxt文件里面又会调用输入的训练图片数据等。因此我们如果要训练自己的模型，需要备好3个文件：数据文件lmdb(该文件包含寻数据)、网络结构lenet_train_test.prototxt、求解文件solver.prototxt，这几个文件名随便，但是文件后缀格式不要随便乱改。把这三个文件放在同一个目录下，然后在终端输入命令，调用caffe就可以开始训练了。

二、相关细节

1、lmdb数据格式生成

caffe输入训练图片数据我比较喜欢用lmdb格式，好像还有另外一种格式leveldb，这个具体没用过，这里主要讲解lmdb格式数据的制作。其实在caffe-》example-》imagenet文件夹下面的一些脚本文件可以帮助我们快速生产相关的caffe所需的数据。

create_imagenet.sh这个文件可以帮我们快速的生成lmdb的数据格式文件，因此我们只需要把这个脚本文件复制出来，稍作修改，就可以对我们的训练图片、标注文件进行打包为lmdb格式文件了。制作图片的脚本文件如下：

 <span style="font-size:18px;">#!/usr/bin/env sh
 # Create the imagenet lmdb inputs
 # N.B. set the path to the imagenet train + val data dirs

 EXAMPLE=.          # 生成模型训练数据文化夹
 TOOLS=../../build/tools                              # caffe的工具库，不用变
 DATA=.                  # python脚步处理后数据路径

 TRAIN_DATA_ROOT=train/  #待处理的训练数据图片路径
 VAL_DATA_ROOT=val/      # 带处理的验证数据图片路径



 # Set RESIZE=true to resize the images to 256x256. Leave as false if images have
 # already been resized using another tool.
 RESIZE=true   #图片缩放
 if $RESIZE; then
   RESIZE_HEIGHT=256
   RESIZE_WIDTH=256
 else
   RESIZE_HEIGHT=0
   RESIZE_WIDTH=0
 fi

 if [ ! -d "$TRAIN_DATA_ROOT" ]; then
   echo "Error: TRAIN_DATA_ROOT is not a path to a directory: $TRAIN_DATA_ROOT"
   echo "Set the TRAIN_DATA_ROOT variable in create_imagenet.sh to the path" \
        "where the ImageNet training data is stored."
   exit 1
 fi

 if [ ! -d "$VAL_DATA_ROOT" ]; then
   echo "Error: VAL_DATA_ROOT is not a path to a directory: $VAL_DATA_ROOT"
   echo "Set the VAL_DATA_ROOT variable in create_imagenet.sh to the path" \
        "where the ImageNet validation data is stored."
   exit 1
 fi

 echo "Creating train lmdb..."

 GLOG_logtostderr=1 $TOOLS/convert_imageset \
     --resize_height=$RESIZE_HEIGHT \
     --resize_width=$RESIZE_WIDTH \
     --shuffle \
     $TRAIN_DATA_ROOT \
     $DATA/train.txt \     #标签训练数据文件
     $EXAMPLE/train_lmdb

 echo "Creating val lmdb..."

 GLOG_logtostderr=1 $TOOLS/convert_imageset \
     --resize_height=$RESIZE_HEIGHT \
     --resize_width=$RESIZE_WIDTH \
     --shuffle \
     $VAL_DATA_ROOT \
     $DATA/val.txt \    #验证集标签数据
     $EXAMPLE/val_lmdb

 echo "Done."</span>

同时我们需要制作如下四个文件：

1、文件夹train，用于存放训练图片

2、文件夹val，用于存放验证图片

3、文件train.txt，里面包含这每张图片的名称，及其对应的标签。

 <span style="font-size:18px;">first_batch/train_female/992.jpg    1
 first_batch/train_female/993.jpg    1
 first_batch/train_female/994.jpg    1
 first_batch/train_female/995.jpg    1
 first_batch/train_female/996.jpg    1
 first_batch/train_female/997.jpg    1
 first_batch/train_female/998.jpg    1
 first_batch/train_female/999.jpg    1
 first_batch/train_male/1000.jpg 0
 first_batch/train_male/1001.jpg 0
 first_batch/train_male/1002.jpg 0
 first_batch/train_male/1003.jpg 0
 first_batch/train_male/1004.jpg 0
 first_batch/train_male/1005.jpg 0
 first_batch/train_male/1006.jpg 0
 first_batch/train_male/1007.jpg 0
 first_batch/train_male/1008.jpg 0</span>

上面的标签编号:1，表示女。标签：0，表示男。

4、文件val.txt，同样这个文件也是保存图片名称及其对应的标签。

这四个文件在上面的脚本文件中，都需要调用到。制作玩后，跑一下上面的脚本文件，就ok了，跑完后，即将生成下面两个文件夹：

文件夹下面有两个对应的文件：

制作完后，要看看文件的大小，有没有问题，如果就几k，那么正常是每做好训练数据，除非你的训练图片就几张。

二、训练

1、直接训练法

 <span style="font-size:18px;">#!/usr/bin/env sh
 TOOLS=../cafferead/build/tools
 $TOOLS/caffe train --solver=gender_solver.prorotxt  -gpu all  #加入 -gpu 选项</span>

-gpu 可以选择gpu的id号，如果是 -gpu all表示启用所有的GPU进行训练。

2、采用funing-tuning 训练法

 <span style="font-size:18px;">$TOOLS/caffe train --solver=gender_solver.prorotxt -weights gender_net.caffemodel #加入-weights</span>

加入-weights，这个功能很好用，也经常会用到，因为现在的CNN相关的文献，很多都是在已有的模型基础上，进行fine-tuning，因为我们大部分人都缺少训练数据，不像谷歌、百度这些土豪公司，有很多人专门做数据标注，对于小公司而言，往往缺少标注好的训练数据。因此我们一般使用fine-tuning的方法，在少量数据的情况下，尽可能的提高精度。我们可以使用：-weights 选项，利用已有的模型训练好的参数，作为初始值，进行继续训练。

三、调用python接口

训练完毕后，我们就可以得到caffe的训练模型了，接着我们的目标就预测，看看结果了。caffe为我们提供了方便调用的python接口函数，这些都在模块pycaffe里面。因此我们还需要知道如何使用pycaffe，进行测试，查看结果。下面是pycaffe的预测调用使用示例：

 # coding=utf-8
 import os
 import numpy as np
 from matplotlib import pyplot as plt
 import cv2
 import shutil
 import time

 #因为RGB和BGR需要调换一下才能显示
 def showimage(im):
     if im.ndim == 3:
         im = im[:, :, ::-1]
     plt.set_cmap('jet')
     plt.imshow(im)
     plt.show()

 #特征可视化显示，padval用于调整亮度
 def vis_square(data, padsize=1, padval=0):
     data -= data.min()
     data /= data.max()

     #因为我们要把某一层的特征图都显示到一个figure上，因此需要计算每个图片占用figure多少比例，以及绘制的位置
     n = int(np.ceil(np.sqrt(data.shape[0])))
     padding = ((0, n ** 2 - data.shape[0]), (0, padsize), (0, padsize)) + ((0, 0),) * (data.ndim - 3)
     data = np.pad(data, padding, mode='constant', constant_values=(padval, padval))

     # tile the filters into an image
     data = data.reshape((n, n) + data.shape[1:]).transpose((0, 2, 1, 3) + tuple(range(4, data.ndim + 1)))
     data = data.reshape((n * data.shape[1], n * data.shape[3]) + data.shape[4:])

     showimage(data)


 #设置caffe源码所在的路径
 caffe_root = '../../../caffe/'
 import sys
 sys.path.insert(0, caffe_root + 'python')
 import caffe




 #加载均值文件
 mean_filename='./imagenet_mean.binaryproto'
 proto_data = open(mean_filename, "rb").read()
 a = caffe.io.caffe_pb2.BlobProto.FromString(proto_data)
 mean  = caffe.io.blobproto_to_array(a)[0]

 #创建网络，并加载已经训练好的模型文件
 gender_net_pretrained='./caffenet_train_iter_1500.caffemodel'
 gender_net_model_file='./deploy_gender.prototxt'
 gender_net = caffe.Classifier(gender_net_model_file, gender_net_pretrained,mean=mean,
                        channel_swap=(2,1,0),#RGB通道与BGR
                        raw_scale=255,#把图片归一化到0~1之间
                        image_dims=(256, 256))#设置输入图片的大小


 #预测分类及其可特征视化
 gender_list=['Male','Female']
 input_image = caffe.io.load_image('1.jpg')#读取图片

 prediction_gender=gender_net.predict([input_image])#预测图片性别
 #打印我们训练每一层的参数形状
 print 'params:'
 for k, v in gender_net.params.items():
     print 'weight:'
     print (k, v[0].data.shape)#在每一层的参数blob中，caffe用vector存储了两个blob变量，用v[0]表示weight
     print 'b:'
     print (k, v[1].data.shape)#用v[1]表示偏置参数
 #conv1滤波器可视化
 filters = gender_net.params['conv1'][0].data
 vis_square(filters.transpose(0, 2, 3, 1))
 #conv2滤波器可视化
 '''''filters = gender_net.params['conv2'][0].data
 vis_square(filters[:48].reshape(48**2, 5, 5))'''
 #特征图
 print 'feature maps:'
 for k, v in gender_net.blobs.items():
     print (k, v.data.shape);
     feat = gender_net.blobs[k].data[0,0:4]#显示名字为k的网络层,第一张图片所生成的4张feature maps
     vis_square(feat, padval=1)





 #显示原图片，以及分类预测结果
 str_gender=gender_list[prediction_gender[0].argmax()]
 print str_gender

 plt.imshow(input_image)
 plt.title(str_gender)
 plt.show()

上面的接口，同时包含了pycaffe加载训练好的模型，进行预测及其特征可视化的调用方法。