Caffe原始碼解析6：Neuron_Layer
NeuronLayer，顧名思義這裡就是神經元，啟用函式的相應層。我們知道在blob進入啟用函式之前和之後他的size是不會變的，而且啟用值也就是輸出 \(y\) 只依賴於相應的輸入 \(x\)。在Caffe裡面所有的layer的實現都放在src資料夾下的layer資料夾中，基本上很多文章裡應用到的layer型別它都有cpu和cuda的實現。
在caffe裡面NeuronLayer比較多，在此羅列了一下
- AbsValLayer
- BNLLLayer
- DropoutLayer
- ExpLayer
- LogLayer
- PowerLayer
- ReLULayer
- CuDNNReLULayer
- SigmoidLayer
- CuDNNSigmoidLayer
- TanHLayer
- CuDNNTanHLayer
- ThresholdLayer
- PReLULayer
Caffe裡面的Neuron種類比較多方便人們使用，這裡我們著重關注幾個主要的Neuro_layer
ReLULayer
目前在啟用層的函式中使用ReLU是非常普遍的，一般我們在看資料或者講義中總是提到的是Sigmoid函式，它比Sigmoid有更快的收斂性，因為sigmoid在收斂的時候越靠近目標點收斂的速度會越慢，也是其函式的曲線形狀決定的。而ReLULayer則相對收斂更快，具體可以看Krizhevsky 12年的那篇ImageNet CNN文章有更詳細的介紹。
其計算的公式是：
\[y = \max(0, x)\]
如果有負斜率式子變為：
\[ y = \max(0, x) + \nu \min(0, x)\]
反向傳播的公式
\[ \frac{\partial E}{\partial x} = \left\{ \begin{array}{lr} \nu \frac{\partial E}{\partial y} & \mathrm{if} \; x \le 0 \\ \frac{\partial E}{\partial y} & \mathrm{if} \; x > 0 \end{array} \right. \]
其在cafffe中的forward和backward函式為
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));
}
}
}SigmoidLayer
Sigmoid函式，也稱為階躍函式，函式曲線是一個優美的S形。目前使用Sigmoid函式已經不多了，大多使用ReLU來代替，其對應的啟用函式為：
\[y = (1 + \exp(-x))^{-1}\]
其反向傳播時
\[\frac{\partial E}{\partial x}
= \frac{\partial E}{\partial y} y (1 - y)\]
其相應的forward和backward的函式為
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
DropoutLayer現在是非常常用的一種網路層，只用在訓練階段，一般用在網路的全連線層中，可以減少網路的過擬合問題。其思想是在訓練過程中隨機的將一部分輸入x之置為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為:
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構造隨機數，這裡是通過向量掩碼來和bottom的資料相乘，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);
}
}
}