Caffe源码阅读（3）Softmax层和SoftmaxLoss层

Reference Link:

http://zhangliliang.com/2015/05/27/about-caffe-code-softmax-loss-layer/

关于softmax回归

看过最清晰的关于softmax回归的文档来源自UFLDL，简单摘录如下。
softmax用于多分类问题，比如0-9的数字识别，共有10个输出，而且这10个输出的概率和加起来应该为1，所以可以用一个softmax操作归一化这10个输出。进一步一般化，假如共有k个输出，softmax的假设可以形式化表示为：

然后给这个假设定义一个loss function，就是softmax回归的loss function咯，形式化如下：

也很直观，对于某个样本i，他对应的gt label是j，那么对于loss function来说，显然只需要关心第k路是否是一个概率很大的值，所以就用一个l{·}的示性函数来表示只关心第y(i)y(i)路(即label对应的那一路)，其他路都忽略为0。然后log的部分其实就是第k路的概率值取log。最后需要注意到前面还有一个负号。
所以总的来说，这个loss function的意思是说，对于某个样本，我只看他gt对应的那个路子输出的概率，然后取一个-log从最大化概率变成最小化能量。
然后softmax可以求梯度，梯度的公式是：

然后在实际应用中，一般还是要加上一个正则项，或者在UFLDL教程中被称为权重衰减项，于是loss function和回传梯度都多出了一项，变成了：


然后softmax回归就介绍完了，感觉不懂的话具体还是看UFLDL的教程比较好。

Caffe中的实现

注意这里贴的代码是基于笔者所使用的caffe版本的，大概是2015年初的吧，跟目前的最新caffe版本可能有所出入。
在实现细节上，train时候在最后接上SoftmaxWithLossLayer，test的时候换成SoftmaxLayer即可。这里可以看loss_layer.hpp的注释:

1234

* This layer should be preferred over separate* SoftmaxLayer + MultinomialLogisticLossLayer* as its gradient computation is more numerically stable.* At test time, this layer can be replaced simply by a SoftmaxLayer.

先看softmax_layer.cpp，由于只会用到他的forward，所以只看forward就好了。代码如下：

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637

template <typename Dtype>void SoftmaxLayer<Dtype>::Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,    vector<Blob<Dtype>*>* top) {  const Dtype* bottom_data = bottom[0]->cpu_data();  Dtype* top_data = (*top)[0]->mutable_cpu_data();  Dtype* scale_data = scale_.mutable_cpu_data();  int num = bottom[0]->num();  int channels = bottom[0]->channels();  int dim = bottom[0]->count() / bottom[0]->num();  int spatial_dim = bottom[0]->height() * bottom[0]->width();  caffe_copy(bottom[0]->count(), bottom_data, top_data);  // We need to subtract the max to avoid numerical issues, compute the exp,  // and then normalize.  for (int i = 0; i < num; ++i) {    // initialize scale_data to the first plane    caffe_copy(spatial_dim, bottom_data + i * dim, scale_data);    for (int j = 0; j < channels; j++) {      for (int k = 0; k < spatial_dim; k++) {        scale_data[k] = std::max(scale_data[k],            bottom_data[i * dim + j * spatial_dim + k]);      }    }    // subtraction    caffe_cpu_gemm<Dtype>(CblasNoTrans, CblasNoTrans, channels, spatial_dim,        1, -1., sum_multiplier_.cpu_data(), scale_data, 1., top_data + i * dim);    // exponentiation    caffe_exp<Dtype>(dim, top_data + i * dim, top_data + i * dim);    // sum after exp    caffe_cpu_gemv<Dtype>(CblasTrans, channels, spatial_dim, 1.,        top_data + i * dim, sum_multiplier_.cpu_data(), 0., scale_data);    // division    for (int j = 0; j < channels; j++) {      caffe_div(spatial_dim, top_data + (*top)[0]->offset(i, j), scale_data,          top_data + (*top)[0]->offset(i, j));    }  }}

可以看出基本就是softmax的假设时候的实现公式，即这条。

不同之处是先求取max然后所有值先减去了这个max，目的作者也给了注释是数值问题，毕竟之后是要接上e为底的指数运算的，所以值不可以太大，这个操作相当合理。

然后就到了softmax_loss_layer.cpp了，总共代码不超100行，就全贴在下面了:

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293

#include <algorithm>#include <cfloat>#include <vector>#include "caffe/layer.hpp"#include "caffe/util/math_functions.hpp"#include "caffe/vision_layers.hpp"namespace caffe {template <typename Dtype>void SoftmaxWithLossLayer<Dtype>::LayerSetUp(    const vector<Blob<Dtype>*>& bottom, vector<Blob<Dtype>*>* top) {  LossLayer<Dtype>::LayerSetUp(bottom, top);  softmax_bottom_vec_.clear();  softmax_bottom_vec_.push_back(bottom[0]);  softmax_top_vec_.clear();  softmax_top_vec_.push_back(&prob_);  softmax_layer_->SetUp(softmax_bottom_vec_, &softmax_top_vec_);}template <typename Dtype>void SoftmaxWithLossLayer<Dtype>::Reshape(    const vector<Blob<Dtype>*>& bottom, vector<Blob<Dtype>*>* top) {  LossLayer<Dtype>::Reshape(bottom, top);  softmax_layer_->Reshape(softmax_bottom_vec_, &softmax_top_vec_);  if (top->size() >= 2) {    // softmax output    (*top)[1]->ReshapeLike(*bottom[0]);  }}template <typename Dtype>void SoftmaxWithLossLayer<Dtype>::Forward_cpu(    const vector<Blob<Dtype>*>& bottom, vector<Blob<Dtype>*>* top) {  // The forward pass computes the softmax prob values.  softmax_layer_->Forward(softmax_bottom_vec_, &softmax_top_vec_);  const Dtype* prob_data = prob_.cpu_data();  const Dtype* label = bottom[1]->cpu_data();  int num = prob_.num();  int dim = prob_.count() / num;  int spatial_dim = prob_.height() * prob_.width();  Dtype loss = 0;  for (int i = 0; i < num; ++i) {    for (int j = 0; j < spatial_dim; j++) {      loss -= log(std::max(prob_data[i * dim +          static_cast<int>(label[i * spatial_dim + j]) * spatial_dim + j],                           Dtype(FLT_MIN)));    }  }  (*top)[0]->mutable_cpu_data()[0] = loss / num / spatial_dim;  if (top->size() == 2) {    (*top)[1]->ShareData(prob_);  }}template <typename Dtype>void SoftmaxWithLossLayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,    const vector<bool>& propagate_down,    vector<Blob<Dtype>*>* bottom) {  if (propagate_down[1]) {    LOG(FATAL) << this->type_name()               << " Layer cannot backpropagate to label inputs.";  }  if (propagate_down[0]) {    Dtype* bottom_diff = (*bottom)[0]->mutable_cpu_diff();    const Dtype* prob_data = prob_.cpu_data();    caffe_copy(prob_.count(), prob_data, bottom_diff);    const Dtype* label = (*bottom)[1]->cpu_data();    int num = prob_.num();    int dim = prob_.count() / num;    int spatial_dim = prob_.height() * prob_.width();    for (int i = 0; i < num; ++i) {      for (int j = 0; j < spatial_dim; ++j) {        bottom_diff[i * dim + static_cast<int>(label[i * spatial_dim + j])            * spatial_dim + j] -= 1;      }    }    // Scale gradient    const Dtype loss_weight = top[0]->cpu_diff()[0];    caffe_scal(prob_.count(), loss_weight / num / spatial_dim, bottom_diff);  }}#ifdef CPU_ONLYSTUB_GPU(SoftmaxWithLossLayer);#endifINSTANTIATE_CLASS(SoftmaxWithLossLayer);}  // namespace caffe

其实这个函数挺好懂的，总结起来大致是：

• 首先这里直接内置了一个SoftmaxLayer，利用它直接得到概率值prob_
• 之后的forward和backward都很直观了，就是没有正则项的loss function和梯度的实现方式。（这里为啥没有考虑正则项，是因为正则项的代码不是写在这这里的，而是在更新梯度时候再一起考虑的，具体可以看layer的更新代码，会发现考虑了一个叫decay的东西）
• 这里有了spatial_dim的概念后，就可以直接支持做全图的softmax了，具体来可以参考FCN一文中最后做20类分类的概率图的那个全图softmax