Joseph Redmon
2014-01-23 1d53b6414e0cd81043d7c76aa89f4f97da5e479f
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
#include <stdio.h>
#include "network.h"
#include "image.h"
#include "data.h"
#include "utils.h"
 
#include "connected_layer.h"
#include "convolutional_layer.h"
#include "maxpool_layer.h"
#include "softmax_layer.h"
 
network make_network(int n)
{
    network net;
    net.n = n;
    net.layers = calloc(net.n, sizeof(void *));
    net.types = calloc(net.n, sizeof(LAYER_TYPE));
    net.outputs = 0;
    net.output = 0;
    return net;
}
 
void forward_network(network net, double *input)
{
    int i;
    for(i = 0; i < net.n; ++i){
        if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
            convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
            forward_convolutional_layer(layer, input);
            input = layer.output;
        }
        else if(net.types[i] == CONNECTED){
            connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
            forward_connected_layer(layer, input);
            input = layer.output;
        }
        else if(net.types[i] == SOFTMAX){
            softmax_layer layer = *(softmax_layer *)net.layers[i];
            forward_softmax_layer(layer, input);
            input = layer.output;
        }
        else if(net.types[i] == MAXPOOL){
            maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
            forward_maxpool_layer(layer, input);
            input = layer.output;
        }
    }
}
 
void update_network(network net, double step, double momentum, double decay)
{
    int i;
    for(i = 0; i < net.n; ++i){
        if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
            convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
            update_convolutional_layer(layer, step, momentum, decay);
        }
        else if(net.types[i] == MAXPOOL){
            //maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
        }
        else if(net.types[i] == SOFTMAX){
            //maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
        }
        else if(net.types[i] == CONNECTED){
            connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
            update_connected_layer(layer, step, momentum, 0);
        }
    }
}
 
double *get_network_output_layer(network net, int i)
{
    if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
        convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
        return layer.output;
    } else if(net.types[i] == MAXPOOL){
        maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
        return layer.output;
    } else if(net.types[i] == SOFTMAX){
        softmax_layer layer = *(softmax_layer *)net.layers[i];
        return layer.output;
    } else if(net.types[i] == CONNECTED){
        connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
        return layer.output;
    }
    return 0;
}
double *get_network_output(network net)
{
    return get_network_output_layer(net, net.n-1);
}
 
double *get_network_delta_layer(network net, int i)
{
    if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
        convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
        return layer.delta;
    } else if(net.types[i] == MAXPOOL){
        maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
        return layer.delta;
    } else if(net.types[i] == SOFTMAX){
        softmax_layer layer = *(softmax_layer *)net.layers[i];
        return layer.delta;
    } else if(net.types[i] == CONNECTED){
        connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
        return layer.delta;
    }
    return 0;
}
 
double *get_network_delta(network net)
{
    return get_network_delta_layer(net, net.n-1);
}
 
void calculate_error_network(network net, double *truth)
{
    double *delta = get_network_delta(net);
    double *out = get_network_output(net);
    int i, k = get_network_output_size(net);
    for(i = 0; i < k; ++i){
        delta[i] = truth[i] - out[i];
    }
}
 
int get_predicted_class_network(network net)
{
    double *out = get_network_output(net);
    int k = get_network_output_size(net);
    return max_index(out, k);
}
 
void backward_network(network net, double *input, double *truth)
{
    calculate_error_network(net, truth);
    int i;
    double *prev_input;
    double *prev_delta;
    for(i = net.n-1; i >= 0; --i){
        if(i == 0){
            prev_input = input;
            prev_delta = 0;
        }else{
            prev_input = get_network_output_layer(net, i-1);
            prev_delta = get_network_delta_layer(net, i-1);
        }
        if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
            convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
            learn_convolutional_layer(layer, prev_input);
            if(i != 0) backward_convolutional_layer(layer, prev_input, prev_delta);
        }
        else if(net.types[i] == MAXPOOL){
            maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
            if(i != 0) backward_maxpool_layer(layer, prev_input, prev_delta);
        }
        else if(net.types[i] == SOFTMAX){
            softmax_layer layer = *(softmax_layer *)net.layers[i];
            if(i != 0) backward_softmax_layer(layer, prev_input, prev_delta);
        }
        else if(net.types[i] == CONNECTED){
            connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
            learn_connected_layer(layer, prev_input);
            if(i != 0) backward_connected_layer(layer, prev_input, prev_delta);
        }
    }
}
 
int train_network_datum(network net, double *x, double *y, double step, double momentum, double decay)
{
        forward_network(net, x);
        int class = get_predicted_class_network(net);
        backward_network(net, x, y);
        update_network(net, step, momentum, decay);
        return (y[class]?1:0);
}
 
double train_network_sgd(network net, data d, int n, double step, double momentum,double decay)
{
    int i;
    int correct = 0;
    for(i = 0; i < n; ++i){
        int index = rand()%d.X.rows;
        correct += train_network_datum(net, d.X.vals[index], d.y.vals[index], step, momentum, decay);
        //if((i+1)%10 == 0){
        //    printf("%d: %f\n", (i+1), (double)correct/(i+1));
        //}
    }
    return (double)correct/n;
}
double train_network_batch(network net, data d, int n, double step, double momentum,double decay)
{
    int i;
    int correct = 0;
    for(i = 0; i < n; ++i){
        int index = rand()%d.X.rows;
        double *x = d.X.vals[index];
        double *y = d.y.vals[index];
        forward_network(net, x);
        int class = get_predicted_class_network(net);
        backward_network(net, x, y);
        correct += (y[class]?1:0);
    }
    update_network(net, step, momentum, decay);
    return (double)correct/n;
 
}
 
 
void train_network(network net, data d, double step, double momentum, double decay)
{
    int i;
    int correct = 0;
    for(i = 0; i < d.X.rows; ++i){
        correct += train_network_datum(net, d.X.vals[i], d.y.vals[i], step, momentum, decay);
        if(i%100 == 0){
            visualize_network(net);
            cvWaitKey(10);
        }
    }
    visualize_network(net);
    cvWaitKey(100);
    printf("Accuracy: %f\n", (double)correct/d.X.rows);
}
 
int get_network_output_size_layer(network net, int i)
{
    if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
        convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
        image output = get_convolutional_image(layer);
        return output.h*output.w*output.c;
    }
    else if(net.types[i] == MAXPOOL){
        maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
        image output = get_maxpool_image(layer);
        return output.h*output.w*output.c;
    }
    else if(net.types[i] == CONNECTED){
        connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
        return layer.outputs;
    }
    else if(net.types[i] == SOFTMAX){
        softmax_layer layer = *(softmax_layer *)net.layers[i];
        return layer.inputs;
    }
    return 0;
}
 
int get_network_output_size(network net)
{
    int i = net.n-1;
    return get_network_output_size_layer(net, i);
}
 
image get_network_image_layer(network net, int i)
{
    if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
        convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
        return get_convolutional_image(layer);
    }
    else if(net.types[i] == MAXPOOL){
        maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
        return get_maxpool_image(layer);
    }
    return make_empty_image(0,0,0);
}
 
image get_network_image(network net)
{
    int i;
    for(i = net.n-1; i >= 0; --i){
        image m = get_network_image_layer(net, i);
        if(m.h != 0) return m;
    }
    return make_empty_image(0,0,0);
}
 
void visualize_network(network net)
{
    int i;
    char buff[256];
    for(i = 0; i < net.n; ++i){
        sprintf(buff, "Layer %d", i);
        if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
            convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
            visualize_convolutional_filters(layer, buff);
        }
    } 
}
 
double *network_predict(network net, double *input)
{
    forward_network(net, input);
    double *out = get_network_output(net);
    return out;
}
 
matrix network_predict_data(network net, data test)
{
    int i,j;
    int k = get_network_output_size(net);
    matrix pred = make_matrix(test.X.rows, k);
    for(i = 0; i < test.X.rows; ++i){
        double *out = network_predict(net, test.X.vals[i]);
        for(j = 0; j < k; ++j){
            pred.vals[i][j] = out[j];
        }
    }
    return pred;   
}
 
void print_network(network net)
{
    int i,j;
    for(i = 0; i < net.n; ++i){
        double *output = 0;
        int n = 0;
        if(net.types[i] == CONVOLUTIONAL){
            convolutional_layer layer = *(convolutional_layer *)net.layers[i];
            output = layer.output;
            image m = get_convolutional_image(layer);
            n = m.h*m.w*m.c;
        }
        else if(net.types[i] == MAXPOOL){
            maxpool_layer layer = *(maxpool_layer *)net.layers[i];
            output = layer.output;
            image m = get_maxpool_image(layer);
            n = m.h*m.w*m.c;
        }
        else if(net.types[i] == CONNECTED){
            connected_layer layer = *(connected_layer *)net.layers[i];
            output = layer.output;
            n = layer.outputs;
        }
        else if(net.types[i] == SOFTMAX){
            softmax_layer layer = *(softmax_layer *)net.layers[i];
            output = layer.output;
            n = layer.inputs;
        }
        double mean = mean_array(output, n);
        double vari = variance_array(output, n);
        fprintf(stderr, "Layer %d - Mean: %f, Variance: %f\n",i,mean, vari);
        if(n > 100) n = 100;
        for(j = 0; j < n; ++j) fprintf(stderr, "%f, ", output[j]);
        if(n == 100)fprintf(stderr,".....\n");
        fprintf(stderr, "\n");
    }
}
 
double network_accuracy(network net, data d)
{
    matrix guess = network_predict_data(net, d);
    double acc = matrix_accuracy(d.y, guess);
    free_matrix(guess);
    return acc;
}