Caffe中卷基层和全连接层训练参数个数如何确定

今天来仔细讲一下卷基层和全连接层训练参数个数如何确定的问题。我们以Mnist为例，首先贴出网络配置文件：

[python]
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name: "LeNet"
layer {
name: "mnist"
type: "Data"
top: "data"
top: "label"
data_param {
source: "examples/mnist/mnist-train-leveldb"
backend: LEVELDB
batch_size: 64
}
transform_param {
scale: 0.00390625
}
include: { phase: TRAIN }
}
layer {
name: "mnist"
type: "Data"
top: "data"
top: "label"
data_param {
source: "examples/mnist/mnist-test-leveldb"
backend: LEVELDB
batch_size: 100
}
transform_param {
scale: 0.00390625
}
include: { phase: TEST }
}
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"
}
}
}
layer {
bottom: "conv1"
top: "conv1"
name: "bn_conv1"
type: "BatchNorm"
param {
lr_mult: 0
decay_mult: 0
}
param {
lr_mult: 0
decay_mult: 0
}
param {
lr_mult: 0
decay_mult: 0
}
}
layer {
bottom: "conv1"
top: "conv1"
name: "scale_conv1"
type: "Scale"
scale_param {
bias_term: true
}
}
layer {
name: "pool1"
type: "Pooling"
bottom: "conv1"
top: "pool1"
pooling_param {
pool: MAX
kernel_size: 2
stride: 2
}
}
layer {
name: "relu_pool1"
type: "ReLU"
bottom: "pool1"
top: "pool1"
}
layer {
name: "conv2"
type: "Convolution"
bottom: "pool1"
top: "conv2"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
convolution_param {
num_output: 50
kernel_size: 5
stride: 1
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
bottom: "conv2"
top: "conv2"
name: "bn_conv2"
type: "BatchNorm"
param {
lr_mult: 0
decay_mult: 0
}
param {
lr_mult: 0
decay_mult: 0
}
param {
lr_mult: 0
decay_mult: 0
}
}
layer {
bottom: "conv2"
top: "conv2"
name: "scale_conv2"
type: "Scale"
scale_param {
bias_term: true
}
}
layer {
name: "pool2"
type: "Pooling"
bottom: "conv2"
top: "pool2"
pooling_param {
pool: MAX
kernel_size: 2
stride: 2
}
}
layer {
name: "relu_pool2"
type: "ReLU"
bottom: "pool2"
top: "pool2"
}
layer {
name: "ip1"
type: "InnerProduct"
bottom: "pool2"
top: "ip1"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
inner_product_param {
num_output: 500
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
layer {
name: "relu1"
type: "ReLU"
bottom: "ip1"
top: "ip1"
}
layer {
name: "ip2"
type: "InnerProduct"
bottom: "ip1"
top: "ip2"
param {
lr_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
}
inner_product_param {
num_output: 10
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
}
}
}
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"
}

OK，在开始讲解之前我们先说明几个问题：
1、输入的图片大小是28*28,；

2、我们将分三部分讲解，因为三部分计算方式不同；

3、由于偏置量b的个数与卷积核的个数相同，因此我们讲解的主要是权重，偏置量个数加上就可以了。

1、第一个卷积conv1，之所把第一个卷积单独拿出来，是因为他和后面的卷积计算方式不同，他训练参数个数计算并不关心输入，这里的数据就是指data层中batch_size大小。也可以说第一个卷基层并不关心特征组合，只是提取特征。

在每一个卷积层中都以一个参数num_output，这个参数怎么理解呢？两种理解方式1、卷积的种类个数；2、输出特征图的个数，我么可以认为一种卷积核提取一种特征，然后输出一张特征。

由于第一个卷积层只是简单的提取特征，并没有进行特征组合，因此训练参数个数计算只是num_output*kernel_size^2.这里怎么理解呢？（由于我不会画图，需要大家一点想象力）假设我们的输入有5张图，num_output=3,kernel_size=5。没有进行特征组合，只是简单提取特征，指的是一种卷积核对5张图的同一区域使用相同的权重进行卷积计算，这样每幅图使用相同的卷积核就能提取到相同的特征，然后相同的特征组成一张特征图。

2、第二个卷积至全连接层之间的卷积，这些卷积层的训练参数个数和输入特征图的数量有关，因为这些卷积层需要进行特征组合。举个例子：conv1的num_output=20，说明卷积1层输出了20个特征图，那么卷积2层的输入就是20。conv2的num_output=50，kernel_size=5,那么计算公式是20*50*5*5.

为什么这些卷积层的训练个数和输入的特征图的数量有关呢？重点还是在特征组合。输入的20个特征图，每个特征图代表一种特征，如果我们给每种特征不同的权重那是不是就进行了特征组合呢？conv2的卷积核是5*5，对20个特征图进行卷积，那就会有20组（5*5）个连接（每张特征图是一组），如果这20组卷积核的权重相同，那就回到了第一个卷积层的情况，没有对20个特征进行组合，因为权重相同嘛！只能看成简单的相加，如果20组权重不同，是不是就进行了线性相加了呢？所以对于一个卷积核（5*5）我们要学习的参数不是25个，而是25*20个。说到这里我相信你应该已经明白了吧！

3、全连接层，全连接层就是普通的神经网络，全连接层的num_output和卷积层中num_output的理解不同，全连接层的num_output应该看成神经元的个数。

3.1、这里要细分一下，先说IP1也就是第一个全连接层。先讲一下ip1的输入，比如最后一个卷积层的num_output=50，那么IP1的输入是50吗？注意这里不是，要理解这个问题，我们只需将全连接层看成是一些列的普通神经网络就可以。比如IP1的num_output=500，也就是有500个神经元，每个神经元都和输入的每一个像素相连，最后一个卷积层输出了50个特征图，每个特征图大小是4*4（输入图像是28*28）那么每个神经元连接的个数就是50*16=800个，也就有800个参数需要学习。总共有500个神经元，因此对于IP1层共需要学习800*500=400,000个参数。

3.2、对于iP2层，iP2的输入就是IP1的输出了，因为IP1输出的不是图像了（或矩阵）而是500个数字。比如ip2的num_output=10，也就是输出数据500维，输出10维的普通神经网络，那么需要学习的参数就是500*10=5000个。

以上，只是我的个人见解，如果有错误，欢迎大家指正！

文章出处： http://blog.csdn.net/sunshine_in_moon/article/details/51434908