Caffe深度学习框架上手教程

Caffe是一个清晰而高效的深度学习框架，其作者是博士毕业于UC Berkeley的 贾扬清，目前在Google工作。

　　Caffe是纯粹的C++/CUDA架构，支持命令行、Python和MATLAB接口；可以在CPU和GPU直接无缝切换：

Caffe::set_mode(Caffe::GPU);

Caffe的优势

1. 上手快：模型与相应优化都是以文本形式而非代码形式给出。 
   Caffe给出了模型的定义、最优化设置以及预训练的权重，方便立即上手。
2. 速度快：能够运行最棒的模型与海量的数据。 
   Caffe与cuDNN结合使用，测试AlexNet模型，在K40上处理每张图片只需要1.17ms.
3. 模块化：方便扩展到新的任务和设置上。 
   可以使用Caffe提供的各层类型来定义自己的模型。
4. 开放性：公开的代码和参考模型用于再现。
5. 社区好：可以通过BSD-2参与开发与讨论。

Caffe的网络定义

Caffe中的网络都是有向无环图的集合，可以直接定义： 

name: "dummy-net"
layers {<span><span>name: <span>"data" …</span></span></span>}
layers {<span><span>name: <span>"conv" …</span></span></span>}
layers {<span><span>name: <span>"pool" …</span></span></span>}
layers {<span><span>name: <span>"loss" …</span></span></span>}

数据及其导数以blobs的形式在层间流动。

Caffe的各层定义

name:"conv1"
type:CONVOLUTION
bottom:"data"
top:"conv1"
convolution_param{
    num_output:<span>20
    kernel_size:5
    stride:1
    weight_filler{
        type: "<span style="color: #c0504d;">xavier</span>"
    }
}

Blob

Blob是用以存储数据的4维数组，例如 

• 对于数据：Number*Channel*Height*Width
• 对于卷积权重：Output*Input*Height*Width
• 对于卷积偏置：Output*1*1*1

训练网络

网络参数的定义也非常方便，可以随意设置相应参数。

甚至调用GPU运算只需要写一句话：

solver_mode:GPU

Caffe的安装与配置

　　Caffe需要预先安装一些依赖项，首先是CUDA驱动。不论是CentOS还是Ubuntu都预装了开源的nouveau显卡驱动（SUSE没有这种问题），如果不禁用，则CUDA驱动不能正确安装。以Ubuntu为例，介绍一下这里的处理方法，当然也有其他处理方法。

　　生成mnist-train-leveldb/ 和 mnist-test-leveldb/，把数据转化成leveldb格式：

训练网络:

# sudo vi/etc/modprobe.d/blacklist.conf
# 增加一行 ：blacklist nouveau
sudoapt-get --purge remove xserver-xorg-video-nouveau   #把官方驱动彻底卸载：
sudoapt-get --purge remove nvidia-*    #清除之前安装的任何NVIDIA驱动
sudo service lightdm stop    #进命令行，关闭Xserver
sudo kill all Xorg

安装了CUDA之后，依次按照Caffe官网安装指南安装BLAS、OpenCV、Boost即可。

Caffe跑跑MNIST试试

在Caffe安装目录之下，首先获得MNIST数据集：

cd data/mnist
sh get_mnist.sh

生成mnist-train-leveldb/ 和 mnist-test-leveldb/，把数据转化成leveldb格式：

cd examples/lenet 
sh create_mnist.sh

训练网络:

sh train_lenet.sh

让Caffe生成的数据集能在Theano上直接运行

不论使用何种框架进行CNNs训练，共有3种数据集：

• Training Set：用于训练网络
• Validation Set：用于训练时测试网络准确率
• Test Set：用于测试网络训练完成后的最终正确率

Caffe生成的数据分为2种格式：Lmdb和Leveldb

• 它们都是键/值对（Key/Value Pair）嵌入式数据库管理系统编程库。
• 虽然lmdb的内存消耗是leveldb的1.1倍，但是lmdb的速度比leveldb快10%至15%，更重要的是lmdb允许多种训练模型同时读取同一组数据集。
• 因此lmdb取代了leveldb成为Caffe默认的数据集生成格式。

Google Protocol Buffer的安装

Protocol Buffer是一种类似于XML的用于序列化数据的自动机制。 
首先在Protocol Buffers的中下载最新版本： 
https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/downloads 
解压后运行：

./configure
$ make
$ make check
$ make install
pip installprotobuf

添加动态链接库

export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib:$LD_LIBRARY_PATH

Lmdb的安装

pip install lmdb

要parse（解析）一个protobuf类型数据，首先要告诉计算机你这个protobuf数据内部是什么格式（有哪些项，这些项各是什么数据类型的决定了占用多少字节，这些项可否重复，重复几次），安装protobuf这个module就可以用protobuf专用的语法来定义这些格式（这个是.proto文件）了，然后用protoc来编译这个.proto文件就可以生成你需要的目标文件。 
想要定义自己的.proto文件请阅读： 
https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto?hl=zh-cn

编译.proto文件

protoc--proto_path=IMPORT_PATH --cpp_out=DST_DIR --java_out=DST_DIR--python_out=DST_DIR path/to/file.proto

--proto_path 也可以简写成-I 是.proto所在的路径
输出路径：
--cpp_out 要生成C++可用的头文件，分别是***.pb.h（包含申明类）***.pb.cc（包含可执行类），使用的时候只要include “***.pb.h”
--java_out 生成java可用的头文件
--python_out 生成python可用的头文件，**_pb2.py，使用的时候import**_pb2.py即可
最后一个参数就是你的.proto文件完整路径。

Caffe (CNN, deep learning) 介绍

Caffe -----------Convolution Architecture For Feature Embedding (Extraction)

1. Caffe 是什么东东？
   • CNN (Deep Learning) 工具箱
   • C++ 语言架构
   • CPU 和GPU 无缝交换
   • Python 和matlab的封装
   • 但是，Decaf只是CPU 版本。

2. 为什么要用Caffe？

   • 运算速度快。简单 友好的架构 用到的一些库：
   • Google Logging library (Glog): 一个C++语言的应用级日志记录框架，提供了C++风格的流操作和各种助手宏.
   • lebeldb(数据存储)： 是一个google实现的非常高效的kv数据库，单进程操作。
   • CBLAS library（CPU版本的矩阵操作）
   • CUBLAS library (GPU 版本的矩阵操作)

3. Caffe 架构

1. 预处理图像的leveldb构建 
   输入：一批图像和label （2和3） 
   输出：leveldb （4） 
   指令里包含如下信息：
   • conver_imageset （构建leveldb的可运行程序）
   • train/ （此目录放处理的jpg或者其他格式的图像)
   • label.txt (图像文件名及其label信息)
   • 输出的leveldb文件夹的名字
   • CPU/GPU (指定是在cpu上还是在gpu上运行code)

2. CNN网络配置文件

   • Imagenet_solver.prototxt （包含全局参数的配置的文件）
   • Imagenet.prototxt （包含训练网络的配置的文件）
   • Imagenet_val.prototxt （包含测试网络的配置文件）

Caffe深度学习之图像分类模型AlexNet解读

在imagenet上的图像分类challenge上Alex提出的alexnet网络结构模型赢得了2012届的冠军。要研究CNN类型DL网络模型在图像分类上的应用，就逃不开研究alexnet，这是CNN在图像分类上的经典模型（DL火起来之后）。

在DL开源实现caffe的model样例中，它也给出了alexnet的复现，具体网络配置文件如下train_val.prototxt

接下来本文将一步步对该网络配置结构中各个层进行详细的解读（训练阶段）：

各种layer的operation更多解释可以参考 Caffe Layer Catalogue

从计算该模型的数据流过程中，该模型参数大概5kw+。

1. conv1阶段DFD（data flow diagram）： 

   

2. conv2阶段DFD（data flow diagram）：
   

   

   
   

3. conv3阶段DFD（data flow diagram）：

   

4. conv4阶段DFD（data flow diagram）： 
   

   

       

5. conv5阶段DFD（data flow diagram）： 
   

   

6. fc6阶段DFD（data flow diagram）： 
   

   

7. fc7阶段DFD（data flow diagram）： 
               
   

   

8. fc8阶段DFD（data flow diagram）：