一、Prototxt是什么
Prototxt是深度学习框架Caffe中用来描述神经网络模型结构的文件格式,全名Caffe Model File,它是一个纯文本文件,可以被任何支持Caffe框架的深度学习工具读取和解析。在Prototxt中,可以描述神经网络的每一个层次的结构,包括输入、输出、激活函数、损失函数等,是神经网络模型设计中非常重要的部分。
二、Prototxt的结构与语法
Prototxt文件包含了神经网络的整体结构,采用key:value的格式进行描述,其中key为必填项,value为可选项,它由以下几部分组成:
1、name层:每一个层次必须有一个唯一的名字做标识,位于每一层的开头。
2、type层:代表了神经网络中的层类型,在Caffe中定义了多种常见的神经网络层,例如全连接层、卷积层、池化层等,不同的网络层在类型上会有所不同。
3、参数设置层:包括了提供给每一层相应设置的所有参数名称和其参数值。
三、Prototxt应用示例
下面以一个卷积神经网络作为示例,展示Prototxt文件具体的应用方法。
1、数据输入层
layer { name: "data" type: "Data" top: "data" include { phase: TRAIN } transform_param { mirror: true crop_size: 227 mean_value: 104 mean_value: 117 mean_value: 123 } data_param { source: "train_lmdb" batch_size: 128 backend: LMDB } }
数据输入层用来读取和处理输入数据,基于所设定的数据存储格式和数据类型,例如LMDB文件、HDF5文件等,同时还可以设置图片的预处理参数,例如大小、颜色等,该层的Type属性为Data。
该示例中的数据输入层需要输入到一个LMDB格式的数据源“train_lmdb”,设置了批次大小为128,并设置了所需的预处理参数。其中,crop_size表示将输入图像的边界进行裁剪,使其具备指定大小,前提是输入图像尺寸大于所指定的大小;mean_value则表示对输入图像进行减法处理。值得注意的是,这里的数据输入层只适用于训练阶段(TRAIN),而非测试阶段(TEST)。
2、卷积层
layer { name: "conv1" type: "Convolution" bottom: "data" top: "conv1" param { lr_mult: 1 decay_mult: 1 } param { lr_mult: 2 decay_mult: 0 } convolution_param { num_output: 96 kernel_size: 11 stride: 4 weight_filler { type: "xavier" } bias_filler { type: "constant" value: 0 } } }
卷积层是一种常见的神经网络层,用来捕捉图像的特征信息。在该示例中,卷积层的Type属性是Convolution,它的输入是前面定义好的数据输入层,而输出则对应了卷积层的名字,即“conv1”。
对于参数设置层,这里定义了卷积核的个数为96,卷积核的大小为11*11,步长为4,Filler层使用了Xavier,即通过赋予权重Random的值来初始化卷积核,也可以使用其它的Filler,比如Gaussian、Uniform等。偏置项需要设为常数0来初始化。
3、池化层
layer { name: "pool1" type: "Pooling" bottom: "conv1" top: "pool1" pooling_param { pool: MAX kernel_size: 3 stride: 2 } }
池化层常常放在卷积层之后,将卷积层提取出来的特征数据进行压缩,从而减少参数的数量,防止过拟合。在该示例中,池化层的Type属性为Pooling,输入为前面定义好的卷积层“conv1”,而输出则对应了池化层的名字“pool1”。
这里用的是Max Pooling,即每一个卷积核内的最大值作为池化结果,池化核大小为3*3,步长为2。这里可以将Max Pooling替换为平均池化(Average Pooling)等其它池化方式。
4、全连接层和激活函数层
layer { name: "ip1" type: "InnerProduct" bottom: "flatten" top: "ip1" param { lr_mult: 1 decay_mult: 1 } param { lr_mult: 2 decay_mult: 0 } inner_product_param { num_output: 4096 weight_filler { type: "xavier" } bias_filler { type: "constant" value: 0 } } } layer { name: "relu1" type: "ReLU" bottom: "ip1" top: "ip1" }
全连接层是完全连接的神经网络层,经常出现在神经网络模型的末尾。
在示例中,全连接层的Type属性是InnerProduct,它有一个输入这里输入的是“flatten”,即将之前的数据展平为一维形态,而输出则对应了全连接形成的名字“ip1”。接下来是参数设置层,这里我们定义了输出的数量,其总结点数为4096个,并通过定义多个Param层设置了该层的其他超参数。
最后的激活函数层是ReLU,将全连接层的输出映射到非负的值域上。
5、损失函数层
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" }
损失函数用于度量训练期间网络模型的准确性,是训练神经网络的极其重要的部分,因为它定义了计算误差的方法。
这里有两个损失函数标志,分别是Accuracy和SoftmaxWithLoss,代表了在测试阶段训练时的正确率和在训练阶段的误差,它们的Type属性是Accuracy和SoftmaxWithLoss,其中Accuracy损失函数仅在测试阶段出现,因此在前面include层中加入了设置phase属性保证其只在TEST时被调用。
最后,将损失层输出的损失loss作为神经网络的目标函数,并根据目标函数通过反向传播算法来优化网络模型。
四、总结
本文对Caffe框架中Prototxt文件的结构和语法进行了详解,并以一个卷积神经网络为例,呈现了具体的应用方法。随着深度学习框架和技术的不断发展,Prototxt文件格式也将得到持续的更新与拓展。