caffe学习例子（一） mnist手写字识别

简单操作过程如下：

一  下载数据(运行脚本，从MNIST网站下载和转换数据格式)

使用Caffe源码目录中data/mnist下用get_mnist.sh脚本下载。

$ cd data/mnist/$ ./get_mnist.sh
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下载成功后在data/mnist 目录下多出四个文件

文件名说明train-images-idx3-ubyte训练集，图片train-labels-idx1-ubyte训练集，标签t10k-images-idx3-ubyte测试集，图片t10k-labels-idx1-ubyte测试集，标签

转换格式

下载到的数据集为二进制文件，需要转换为LMDB或LEVELDB才能被Caffe识别。

$ ./examples/mnist/create_mnist.shCreating lmdb...Done.
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在examples/mnist目录下生成了mnist_train_lmdb/ 和mnist_test_lmdb/ 两个目录，每个目录下都有两个文件：data.mdb和lock.mdb。 
顾名思义，mnist_train_lmdb是LMDB格式的训练集，mnist_test_lmdb是LMDB格式的测试集。

训练网络

运行examples/mnist/train_lenet.sh脚本

$ ./examples/mnist/train_lenet.sh
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数据输出最后几行如下

I1108 00:22:17.995280  8674 solver.cpp:454] Snapshotting to binary proto file examples/mnist/lenet_iter_10000.caffemodel// 保存训练好的权值文件I1108 00:22:18.007494  8674 sgd_solver.cpp:273] Snapshotting solver state to binary proto file examples/mnist/lenet_iter_10000.solverstate// 保存训练状态I1108 00:22:18.075494  8674 solver.cpp:317] Iteration 10000, loss = 0.00255292I1108 00:22:18.075568  8674 solver.cpp:337] Iteration 10000, Testing net (#0)I1108 00:22:25.076969  8674 solver.cpp:404]     Test net output #0: accuracy = 0.9908// 最终分类准确率为 99.08%I1108 00:22:25.077057  8674 solver.cpp:404]     Test net output #1: loss = 0.0278366 (* 1 = 0.0278366 loss)// 最终loss值为 0.0278366I1108 00:22:25.077070  8674 solver.cpp:322] Optimization Done.I1108 00:22:25.077077  8674 caffe.cpp:254] Optimization Done. 
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训练的最终结果保存在examples/mnist/lenet_iter_10000.caffemodel中。

测试训练好的模型

使用MNIST测试集对训练好的模型进行测试

$ ./build/tools/caffe.bin test \-model examples/mnist/lenet_train_test.prototxt \-weights examples/mnist/lenet_iter_10000.caffemodel \-iterations 100
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命令行参数：

• test 表示只做预测
• -model examples/mnist/lenet_train_test.prototxt 指定模型描述文件
• -weights examples/mnist/lenet_iter_10000.caffemodel 指定训练好的权值文件
• iterations 100 指定测试迭代次数，每次迭代的数据量在模型描述文件中设定batch_size: 100，迭代100次刚好覆盖测试集的10000个样本。

详细版：

用Caffe 训练和测试MNIST数据：


1. 准备数据
1.1 运行脚本，从MNIST网站下载和转换数据格式:
在Caffe安装路径下执行 /data/mnist: ./get_mnist.sh
              ／examples/mnist: ./create_mnist.sh
1.2 运行完以上脚本后得到两个数据集： mnist_train_lmdb,
      mnist_test_lmdb


2. 使用LeNet模型定义分类，但在我们的分类应用中，最初LeNet中的神经元由s型激活被替换成
   校正线性单元（ReLU）激活，一般说来LeNet包含convolutional layer,后面是pooling
   layer，另一个convolutional layer，紧跟pooling layer,然后将类似与卷及多层感知器
   的两个层连接，上述层被定义在 /examples/mnist/lenet_train_test.prototxt


3. 定义MNIST Network
   在/src/caffe/proto/caffe.proto中可以了解Caffe protobuf的定义，通常我们写一个
   caffe::NetParameter(或者Python, caffe.proto.caffe_pb2.NetParameter)，我们
   定义该network名称 name: "LeNet"
3.1 写Data Layer
   目前我们从之前创立的lmdb中读取MNIST data,该数据层定义为
layers {
  name: "mnist"
  type: DATA
  data_param {
source: "mnist_train_lmdb"
backend: LMDB
batch_size: 64
scale: 0.00390625
     }
   top: "data"
   top: "label"
      }
该layer名称为mnist, 类型为data, 从给定的lmdb读取数据。bactch size 为64
scale输入像素使得它们在[0,1)之间变化，0.00390625 = 1 / 256, 最后该层产生
两个blobs,一个是data blob, 另一个是label blob


3.2 写Convolution Layer
    定义地一层convolution layer:
layers {
  name: "conv1"
  tyoe: CONVOLUTION
  blobs_lr: 1.
  blobs_lr: 2.
  convolution_param {
num_output: 20
kernelsize: 5
stride: 1
weight_filler {
                    type: "xavier"    
     }
bias_filler  {
 type: "constant"
    }
   }
   bottom: "data"
   top: "conv1"
      }
该层接收data blob（由data layer提供），产生conv1 layer, 其产生 20 channels的
输出， convolutional kernel size为 5， 以 stride 为 1 产生结果。

fillers允许我们随机初始化weights和bias值，对于weight filler,我们使用 xavier
算法基于输入输出神经元数目来决定初始scale. 对于bias filler，我们仅仅初始化其为常数，
default filling 值为 0.


blobs_lr是 learning rate. 在该情况下， 我们会设置weight learning rate 和 solver在
runtime 期间给定的 learning rate相同， bias learning rate 通常比 weight learning
        rate 大2倍， 这会导致较好的 convergence rates.


3.3 写Pooling Layer
    Pooling Layers通常比较容易去定义
layers {
  name: "pool1"
  type: POOLING
  pooling_param {
kernel_size: 2
stride: 2
pool: MAX
}
  bottom: "conv1"
  top: "pool1"
      }
该层定义表明我们以kernel size为2， stride 为2（因此在neighboring poolings regions
之间没有c重叠）来执行max pooling


类似地，你还可以定义第二个covolution和pooling layers, 具体可参考
/examples/mnist/lenet_train_test.prototxt


3.4 写Fully connected Layer
    Fully connected Layer也很简单：
layers {
  name: "ip1"
  type: INNER_PRODUCT
  blobs_lr: 1.
  blobs_lr: 2.
  inner_product_param {
num_output: 500
weight_filler {
type: "xavier"
     }
bias_filler {
type: "constant"
   }
      }
  bottom: "pool2"
  top: "ip1"
      } 


该层定义了Fully connected layer(因为一些原因，Caffe称该层为一种innerproduct layer)
具有500个输出


3.5 写ReLU Layer
     ReLU Layer也很简单：
layers {
  name: "relu1"
  type: RELU
  bottom: "ip1"
  top: "ip1"
      }
由于ReLU是一种element-wise操作， 我们可以做in-place去节约内存。仅仅给bottom和top blobs
相同的名字就能实现该目标，当然，我们不给其他layer Types使用duplicated blob名字。


在ReLU layer之后，我们可以写另一个innerproduct layer:
layers {
  name: "ip2"
  type: INNER_PRODUCT
  blobs_lr: 1.
  blobs_lr: 2.
  inner_product_param {
num_output: 10
weight_filler {
type: "xavier"
     }
bias_filler {
type: "constant"
   }
      }
  bottom: "ip1"
  top: "ip2" 
      }


3.6 写Loss Layer
     最后写loss
layers {
   name： “loss”
   type: SOFTMAX_LOSS
   bottom: "ip2"
   bottom: "label"
      }
softmax_loss layer结合softmax和multinomial logistic loss(节省时间和提高稳定性)
该层接收2个blobs,第一个预测，第二个由data layer提供的label. 第二个不会产生任何outputs
它所做的是计算loss function 的值， 当 backpropagation 开始的时候，report 该值，
并表明梯度为ip2


3.6 写Layer Rules
Layer definition可以包括是否以及何时在network definition中的rules
layers {
  //...layer definition...
  include: { phase: TRAIN }
      }
这是一个规则，基于当前network's state来控制network中的layer inclusion. 详细可参考
/src/caffe/proto/caffe.proto
在以上的例子中，该layer包含在TRAIN阶段，如果我们将TRAIN改为TEST,那么该layer就会被应用于
test 阶段。lenet_train_test.prototxt有两个DATA layers(定义为不同的batch_size)
一个是training phase另一个是testing phase.并且，在TEST phase有一个ACCURACY layer
每100 次iteration就会报告model accuracy, 定义于lenet_solver.protxt.


4. 定义MNIST Solver
检查在prototxt中每行的注释解释：
/examples/mnist/lenet_solver.prototxt:


5. 训练和测试模型
5.1 在已经写了network definition protobut和 solver protobuf files之后，cd到文件夹
   /examples/mnist仅仅执行：
./train_lenet.sh
PS: 运行脚本时注意脚本中的路径要改成自己安装caffe时的绝对路径，否则会出错

说明： 运行代码初始化时，出现的信息包括每一层的详细信息，其连接和输出形状，该信息有助于debugging.
初始化之后，开始training,基于solver setting,根据设置，每100次iterations将会打印出training
loss function，每1000次iterations将会测试network,出现的信息中，对于每一次training iteration
lr是iteration的learning rate, loss是training function,对于testing phase的输出，
score 0 是精确度， scorce 1是 testing loss function.


5.2 经过几分钟后，Optimization Done信息出现表明训练完成，最终的model，以二进制protobuf file
存储在 lenet_iter_10000， 接下来你可以将此训练模型用于实际的数据集。


6. GPU和CPU training 转换
只需要在 lenet_solver.prototxt中 改成solver_mode：CPU,则实现从GPU向CPU的转换训练，对于
小数据集，CPU和GPU速度相差不大，当在大数据集上运行时，这种差距就会很显著。


7. 总结lenet_solver.prototxt中的各参数含义
iteration： 数据进行一次前向-后向的训练
batchsize: 每次迭代训练图片的数量
epoch: 1个epoch就是将所有的训练图像全部通过网络训练一次

例如：例子中1280000张图片，batchsize=256,则1个epoch需要1280000/256=5000次iteration
它的max-iteration=450000,则共有450000/5000=90个epoch,而lr什么时候衰减与stepsize
有关，减少多少与gamma有关，即:若stepsize=500, base-lr=0.01, gamma=0.1,则当迭代到
第一个500次时，lr第一次衰减，衰减后的lr=lr*gamma=0.01*0.1=0.001,以后重复该过程，所以
stepsize是lr的衰减步长，gamma是lr的衰减系数。在训练过程中，每到一定的迭代次数都会test net,
这里的迭代次数是由test-interval决定的，如test=1000,则每迭代1000次测试一遍网络，而
test-size, test-iter, 和test图片的数量决定了怎样test, test-size决定了test时每次
迭代输入图片的数量，test-iter就是test所有的图片的迭代次数，如：500张test图片，test-iter=100
则test-size=5, 而solver文档里只需要根据test图片总数量来设置test-iter，以及根据需要
设置test-interval即可。


8. 测试数据集
8.1 有三种接口可以进行测试数据，命令行、Python、MATLAB，本例中采用命令行进行测试，在
   /examples/mnist路径下，执行：
./test_lenent.sh
   注意： test_lenent.sh脚本是自己根据train_lenet.sh脚本对照改写的，具体脚本内容
   可参考Caffe官网tutorial/interfaces中TEST的讲解

8.2 经过几分钟，测试数据成功，然后可以修改参数，再进行测试，并根据结果分析数据！