caffe中各個層——解析

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所有的層都具有的參數，如name, type, bottom, top和transform_param請參看我的前一篇文章：Caffe學習系列(2)：數據層及參數

本文只講解視覺層（Vision Layers)的參數，視覺層包括Convolution, Pooling, Local Response Normalization (LRN), im2col等層。

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1、Convolution層：

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就是卷積層，是卷積神經網絡（CNN）的核心層。

層類型：Convolution

　　lr_mult: 學習率的係數，最終的學習率是這個數乘以solver.prototxt配置文件中的base_lr。如果有兩個lr_mult, 則第一個表示權值的學習率，第二個表示偏置項的學習率。一般偏置項的學習率是權值學習率的兩倍。

在後面的convolution_param中，我們可以設定卷積層的特有參數。
必須設置的參數：
　　num_output: 卷積核（filter)的個數
　　kernel_size: 卷積核的大小。如果卷積核的長和寬不等，需要用kernel_h和kernel_w分別設定
其它參數：
　　 stride: 卷積核的步長，默認爲1。也可以用stride_h和stride_w來設置。
　　 pad: 擴充邊緣，默認爲0，不擴充。 擴充的時候是左右、上下對稱的，比如卷積核的大小爲5*5，那麼pad設置爲2，則四個邊緣都擴充2個像素，即寬度和高度都擴充了4個像素,這樣卷積運算之後的特徵圖就不會變小。也可以通過pad_h和pad_w來分別設定。
　　weight_filler: 權值初始化。 默認爲“constant”,值全爲0，很多時候我們用”xavier”算法來進行初始化，也可以設置爲”gaussian”
　　bias_filler: 偏置項的初始化。一般設置爲”constant”,值全爲0。
　　 bias_term: 是否開啓偏置項，默認爲true, 開啓
　 group: 分組，默認爲1組。如果大於1，我們限制卷積的連接操作在一個子集內。如果我們根據圖像的通道來分組，那麼第i個輸出分組只能與第i個輸入分組進行連接。

輸入：n*c0*w0*h0
輸出：n*c1*w1*h1
其中，c1就是參數中的num_output，生成的特徵圖個數
w1=(w0+2*pad-kernel_size)/stride+1;
h1=(h0+2*pad-kernel_size)/stride+1;
如果設置stride爲1，前後兩次卷積部分存在重疊。如果設置pad=(kernel_size-1)/2,則運算後，寬度和高度不變。
示例：

layer {
  name: "conv1"
  type: "Convolution"
  bottom: "data"
  top: "conv1"
  param {
    lr_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 20
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}

2、Pooling層

也叫池化層，爲了減少運算量和數據維度而設置的一種層。
層類型：Pooling
必須設置的參數：
　　 kernel_size: 池化的核大小。也可以用kernel_h和kernel_w分別設定。
其它參數：
　pool: 池化方法，默認爲MAX。目前可用的方法有MAX, AVE, 或STOCHASTIC
　　pad: 和卷積層的pad的一樣，進行邊緣擴充。默認爲0
　　stride: 池化的步長，默認爲1。一般我們設置爲2，即不重疊。也可以用stride_h和stride_w來設置。
示例：

layer {
  name: "pool1"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv1"
  top: "pool1"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 3
    stride: 2
  }
}

pooling層的運算方法基本是和卷積層是一樣的。
輸入：n*c*w0*h0
輸出：n*c*w1*h1
和卷積層的區別就是其中的c保持不變
w1=(w0+2*pad-kernel_size)/stride+1;
h1=(h0+2*pad-kernel_size)/stride+1;
如果設置stride爲2，前後兩次卷積部分不重疊。100*100的特徵圖池化後，變成50*50.

3、Local Response Normalization (LRN)層

此層是對一個輸入的局部區域進行歸一化，達到“側抑制”的效果。可去搜索AlexNet或GoogLenet，裏面就用到了這個功能.
層類型：LRN
參數：全部爲可選，沒有必須
　　local_size: 默認爲5。如果是跨通道LRN，則表示求和的通道數；如果是在通道內LRN，則表示求和的正方形區域長度。
　　alpha: 默認爲1，歸一化公式中的參數。
　　beta: 默認爲5，歸一化公式中的參數。
　　norm_region: 默認爲ACROSS_CHANNELS。有兩個選擇，ACROSS_CHANNELS表示在相鄰的通道間求和歸一化。WITHIN_CHANNEL表示在一個通道內部特定的區域內進行求和歸一化。與前面的local_size參數對應。

歸一化公式：對於每一個輸入, 去除以，得到歸一化後的輸出

示例：

layers {
  name: "norm1"
  type: LRN
  bottom: "pool1"
  top: "norm1"
  lrn_param {
    local_size: 5
    alpha: 0.0001
    beta: 0.75
  }
}

4、im2col層

如果對matlab比較熟悉的話，就應該知道im2col是什麼意思。它先將一個大矩陣，重疊地劃分爲多個子矩陣，對每個子矩陣序列化成向量，最後得到另外一個矩陣。
看一看圖就知道了：

在caffe中，卷積運算就是先對數據進行im2col操作，再進行內積運算（inner product)。這樣做，比原始的卷積操作速度更快.
看看兩種卷積操作的異同：