stable, dropout on gpu

Joseph Redmon

2014-11-19 7c120aef23fde5b215b0fb6eef3074a15f16ff69

 src/convolutional_layer.c

@@ -2,265 +2,448 @@
#include "utils.h"
#include "mini_blas.h"
#include <stdio.h>
#include <time.h>

int convolutional_out_height(convolutional_layer layer)
{
    int h = layer.h;
    if (!layer.pad) h -= layer.size;
    else h -= 1;
    return h/layer.stride + 1;
}

int convolutional_out_width(convolutional_layer layer)
{
    int w = layer.w;
    if (!layer.pad) w -= layer.size;
    else w -= 1;
    return w/layer.stride + 1;
}

image get_convolutional_image(convolutional_layer layer)
{
    int h,w,c;
    h = layer.out_h;
    w = layer.out_w;
    h = convolutional_out_height(layer);
    w = convolutional_out_width(layer);
    c = layer.n;
    return double_to_image(h,w,c,layer.output);
    return float_to_image(h,w,c,layer.output);
}

image get_convolutional_delta(convolutional_layer layer)
{
    int h,w,c;
    h = layer.out_h;
    w = layer.out_w;
    h = convolutional_out_height(layer);
    w = convolutional_out_width(layer);
    c = layer.n;
    return double_to_image(h,w,c,layer.delta);
    return float_to_image(h,w,c,layer.delta);
}

convolutional_layer *make_convolutional_layer(int h, int w, int c, int n, int size, int stride, ACTIVATION activation)
convolutional_layer *make_convolutional_layer(int batch, int h, int w, int c, int n, int size, int stride, int pad, ACTIVATION activation, float learning_rate, float momentum, float decay)
{
    int i;
    int out_h,out_w;
    size = 2*(size/2)+1; //HA! And you thought you'd use an even sized filter...
    convolutional_layer *layer = calloc(1, sizeof(convolutional_layer));

    layer->learning_rate = learning_rate;
    layer->momentum = momentum;
    layer->decay = decay;

    layer->h = h;
    layer->w = w;
    layer->c = c;
    layer->n = n;
    layer->batch = batch;
    layer->stride = stride;
    layer->size = size;
    layer->pad = pad;

    layer->filters = calloc(c*n*size*size, sizeof(double));
    layer->filter_updates = calloc(c*n*size*size, sizeof(double));
    layer->filter_momentum = calloc(c*n*size*size, sizeof(double));
    layer->filters = calloc(c*n*size*size, sizeof(float));
    layer->filter_updates = calloc(c*n*size*size, sizeof(float));
    layer->filter_momentum = calloc(c*n*size*size, sizeof(float));

    layer->biases = calloc(n, sizeof(double));
    layer->bias_updates = calloc(n, sizeof(double));
    layer->bias_momentum = calloc(n, sizeof(double));
    double scale = 2./(size*size);
    for(i = 0; i < c*n*size*size; ++i) layer->filters[i] = rand_normal()*scale;
    layer->biases = calloc(n, sizeof(float));
    layer->bias_updates = calloc(n, sizeof(float));
    layer->bias_momentum = calloc(n, sizeof(float));
    float scale = 1./(size*size*c);
    scale = .01;
    for(i = 0; i < c*n*size*size; ++i) layer->filters[i] = scale*2*(rand_uniform()-.5);
    for(i = 0; i < n; ++i){
        //layer->biases[i] = rand_normal()*scale + scale;
        layer->biases[i] = 0;
        layer->biases[i] = .5;
    }
    out_h = (h-size)/stride + 1;
    out_w = (w-size)/stride + 1;
    int out_h = convolutional_out_height(*layer);
    int out_w = convolutional_out_width(*layer);

    layer->col_image = calloc(out_h*out_w*size*size*c, sizeof(double));
    layer->output = calloc(out_h * out_w * n, sizeof(double));
    layer->delta  = calloc(out_h * out_w * n, sizeof(double));
    layer->col_image = calloc(layer->batch*out_h*out_w*size*size*c, sizeof(float));
    layer->output = calloc(layer->batch*out_h * out_w * n, sizeof(float));
    layer->delta  = calloc(layer->batch*out_h * out_w * n, sizeof(float));
    #ifdef GPU
    layer->filters_cl = cl_make_array(layer->filters, c*n*size*size);
    layer->filter_updates_cl = cl_make_array(layer->filter_updates, c*n*size*size);
    layer->filter_momentum_cl = cl_make_array(layer->filter_momentum, c*n*size*size);

    layer->biases_cl = cl_make_array(layer->biases, n);
    layer->bias_updates_cl = cl_make_array(layer->bias_updates, n);
    layer->bias_momentum_cl = cl_make_array(layer->bias_momentum, n);

    layer->col_image_cl = cl_make_array(layer->col_image, layer->batch*out_h*out_w*size*size*c);
    layer->delta_cl = cl_make_array(layer->delta, layer->batch*out_h*out_w*n);
    layer->output_cl = cl_make_array(layer->output, layer->batch*out_h*out_w*n);
    #endif
    layer->activation = activation;
    layer->out_h = out_h;
    layer->out_w = out_w;

    fprintf(stderr, "Convolutional Layer: %d x %d x %d image, %d filters -> %d x %d x %d image\n", h,w,c,n, out_h, out_w, n);
    srand(0);

    return layer;
}

void forward_convolutional_layer(const convolutional_layer layer, double *in)
void resize_convolutional_layer(convolutional_layer *layer, int h, int w, int c)
{
    int m = layer.n;
    int k = layer.size*layer.size*layer.c;
    int n = ((layer.h-layer.size)/layer.stride + 1)*
            ((layer.w-layer.size)/layer.stride + 1);
    layer->h = h;
    layer->w = w;
    layer->c = c;
    int out_h = convolutional_out_height(*layer);
    int out_w = convolutional_out_width(*layer);

    memset(layer.output, 0, m*n*sizeof(double));

    double *a = layer.filters;
    double *b = layer.col_image;
    double *c = layer.output;

    im2col_cpu(in,  layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, b);
    gemm(0,0,m,n,k,1,a,k,b,n,1,c,n);

    layer->col_image = realloc(layer->col_image,
                                layer->batch*out_h*out_w*layer->size*layer->size*layer->c*sizeof(float));
    layer->output = realloc(layer->output,
                                layer->batch*out_h * out_w * layer->n*sizeof(float));
    layer->delta  = realloc(layer->delta,
                                layer->batch*out_h * out_w * layer->n*sizeof(float));
}

void gradient_delta_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
void bias_output(const convolutional_layer layer)
{
    int i;
    for(i = 0; i < layer.out_h*layer.out_w*layer.n; ++i){
        layer.delta[i] *= gradient(layer.output[i], layer.activation);
    int i,j,b;
    int out_h = convolutional_out_height(layer);
    int out_w = convolutional_out_width(layer);
    for(b = 0; b < layer.batch; ++b){
        for(i = 0; i < layer.n; ++i){
            for(j = 0; j < out_h*out_w; ++j){
                layer.output[(b*layer.n + i)*out_h*out_w + j] = layer.biases[i];
            }
        }
    }
}

void forward_convolutional_layer(const convolutional_layer layer, float *in)
{
    int out_h = convolutional_out_height(layer);
    int out_w = convolutional_out_width(layer);
    int i;

    bias_output(layer);

    int m = layer.n;
    int k = layer.size*layer.size*layer.c;
    int n = out_h*out_w;

    float *a = layer.filters;
    float *b = layer.col_image;
    float *c = layer.output;

    im2col_cpu(in, layer.batch, layer.c, layer.h, layer.w, 
        layer.size, layer.stride, layer.pad, b);

    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        gemm(0,0,m,n,k,1,a,k,b,n,1,c,n);
        b += k*n;
        c += n*m;
    }
    activate_array(layer.output, m*n*layer.batch, layer.activation);
}

void learn_bias_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
{
    int i,j;
    int size = layer.out_h*layer.out_w;
    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        double sum = 0;
        for(j = 0; j < size; ++j){
            sum += layer.delta[j+i*size];
    int i,b;
    int size = convolutional_out_height(layer)
        *convolutional_out_width(layer);
    for(b = 0; b < layer.batch; ++b){
        for(i = 0; i < layer.n; ++i){
            layer.bias_updates[i] += sum_array(layer.delta+size*(i+b*layer.n), size);
        }
        layer.bias_updates[i] += sum/size;
    }
}

void learn_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
void backward_convolutional_layer(convolutional_layer layer, float *delta)
{
    gradient_delta_convolutional_layer(layer);
    learn_bias_convolutional_layer(layer);
    int i;
    int m = layer.n;
    int n = layer.size*layer.size*layer.c;
    int k = ((layer.h-layer.size)/layer.stride + 1)*
            ((layer.w-layer.size)/layer.stride + 1);
    int k = convolutional_out_height(layer)*
        convolutional_out_width(layer);
    gradient_array(layer.output, m*k*layer.batch, layer.activation, layer.delta);
    learn_bias_convolutional_layer(layer);

    double *a = layer.delta;
    double *b = layer.col_image;
    double *c = layer.filter_updates;
    float *a = layer.delta;
    float *b = layer.col_image;
    float *c = layer.filter_updates;

    gemm(0,1,m,n,k,1,a,k,b,k,1,c,n);
    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        gemm(0,1,m,n,k,1,a,k,b,k,1,c,n);
        a += m*k;
        b += k*n;
    }

    if(delta){
        m = layer.size*layer.size*layer.c;
        k = layer.n;
        n = convolutional_out_height(layer)*
            convolutional_out_width(layer);

        a = layer.filters;
        b = layer.delta;
        c = layer.col_image;

        for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
            gemm(1,0,m,n,k,1,a,m,b,n,0,c,n);
            b += k*n;
            c += m*n;
        }

        memset(delta, 0, layer.batch*layer.h*layer.w*layer.c*sizeof(float));

        col2im_cpu(layer.col_image, layer.batch, layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, layer.pad, delta);
    }
}

void update_convolutional_layer(convolutional_layer layer, double step, double momentum, double decay)
void update_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
{
    int i;
    int size = layer.size*layer.size*layer.c*layer.n;
    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        layer.biases[i] += step*layer.bias_updates[i];
        layer.bias_updates[i] *= momentum;
    }
    for(i = 0; i < size; ++i){
        layer.filters[i] += step*(layer.filter_updates[i] - decay*layer.filters[i]);
        layer.filter_updates[i] *= momentum;
    }
}
/*
    axpy_cpu(layer.n, layer.learning_rate, layer.bias_updates, 1, layer.biases, 1);
    scal_cpu(layer.n, layer.momentum, layer.bias_updates, 1);

void backward_convolutional_layer2(convolutional_layer layer, double *input, double *delta)
{
    image in_delta = double_to_image(layer.h, layer.w, layer.c, delta);
    image out_delta = get_convolutional_delta(layer);
    int i,j;
    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        rotate_image(layer.kernels[i]);
    }

    zero_image(in_delta);
    upsample_image(out_delta, layer.stride, layer.upsampled);
    for(j = 0; j < in_delta.c; ++j){
        for(i = 0; i < layer.n; ++i){
            two_d_convolve(layer.upsampled, i, layer.kernels[i], j, 1, in_delta, j, layer.edge);
        }
    }

    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        rotate_image(layer.kernels[i]);
    }
    scal_cpu(size, 1.-layer.learning_rate*layer.decay, layer.filters, 1);
    axpy_cpu(size, layer.learning_rate, layer.filter_updates, 1, layer.filters, 1);
    scal_cpu(size, layer.momentum, layer.filter_updates, 1);
}


void learn_convolutional_layer(convolutional_layer layer, double *input)
{
    int i;
    image in_image = double_to_image(layer.h, layer.w, layer.c, input);
    image out_delta = get_convolutional_delta(layer);
    gradient_delta_convolutional_layer(layer);
    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        kernel_update(in_image, layer.kernel_updates[i], layer.stride, i, out_delta, layer.edge);
        layer.bias_updates[i] += avg_image_layer(out_delta, i);
    }
}

void update_convolutional_layer(convolutional_layer layer, double step, double momentum, double decay)
{
    int i,j;
    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        layer.bias_momentum[i] = step*(layer.bias_updates[i]) 
                                + momentum*layer.bias_momentum[i];
        layer.biases[i] += layer.bias_momentum[i];
        layer.bias_updates[i] = 0;
        int pixels = layer.kernels[i].h*layer.kernels[i].w*layer.kernels[i].c;
        for(j = 0; j < pixels; ++j){
            layer.kernel_momentum[i].data[j] = step*(layer.kernel_updates[i].data[j] - decay*layer.kernels[i].data[j]) 
                                                + momentum*layer.kernel_momentum[i].data[j];
            layer.kernels[i].data[j] += layer.kernel_momentum[i].data[j];
        }
        zero_image(layer.kernel_updates[i]);
    }
}
*/

void test_convolutional_layer()
{
    convolutional_layer l = *make_convolutional_layer(4,4,1,1,3,1,LINEAR);
    double input[] =    {1,2,3,4,
                        5,6,7,8,
                        9,10,11,12,
                        13,14,15,16};
    double filter[] =   {.5, 0, .3,
                        0  , 1,  0,
                        .2 , 0,  1};
    double delta[] =    {1, 2,
                        3,  4};
    l.filters = filter;
    forward_convolutional_layer(l, input);
    l.delta = delta;
    learn_convolutional_layer(l);
    image filter_updates = double_to_image(3,3,1,l.filter_updates);
    print_image(filter_updates);
}

image get_convolutional_filter(convolutional_layer layer, int i)
{
    int h = layer.size;
    int w = layer.size;
    int c = layer.c;
    return double_to_image(h,w,c,layer.filters+i*h*w*c);
    return float_to_image(h,w,c,layer.filters+i*h*w*c);
}

void visualize_convolutional_layer(convolutional_layer layer, char *window)
image *weighted_sum_filters(convolutional_layer layer, image *prev_filters)
{
    int color = 1;
    int border = 1;
    int h,w,c;
    int size = layer.size;
    h = size;
    w = (size + border) * layer.n - border;
    c = layer.c;
    if(c != 3 || !color){
        h = (h+border)*c - border;
        c = 1;
    image *filters = calloc(layer.n, sizeof(image));
    int i,j,k,c;
    if(!prev_filters){
        for(i = 0; i < layer.n; ++i){
            filters[i] = copy_image(get_convolutional_filter(layer, i));
        }
    }

    image filters = make_image(h,w,c);
    int i,j;
    for(i = 0; i < layer.n; ++i){
        int w_offset = i*(size+border);
        image k = get_convolutional_filter(layer, i);
        //printf("%f ** ", layer.biases[i]);
        //print_image(k);
        image copy = copy_image(k);
        normalize_image(copy);
        for(j = 0; j < k.c; ++j){
            //set_pixel(copy,0,0,j,layer.biases[i]);
        }
        if(c == 3 && color){
            embed_image(copy, filters, 0, w_offset);
        }
        else{
            for(j = 0; j < k.c; ++j){
                int h_offset = j*(size+border);
                image layer = get_image_layer(k, j);
                embed_image(layer, filters, h_offset, w_offset);
                free_image(layer);
    else{
        image base = prev_filters[0];
        for(i = 0; i < layer.n; ++i){
            image filter = get_convolutional_filter(layer, i);
            filters[i] = make_image(base.h, base.w, base.c);
            for(j = 0; j < layer.size; ++j){
                for(k = 0; k < layer.size; ++k){
                    for(c = 0; c < layer.c; ++c){
                        float weight = get_pixel(filter, j, k, c);
                        image prev_filter = copy_image(prev_filters[c]);
                        scale_image(prev_filter, weight);
                        add_into_image(prev_filter, filters[i], 0,0);
                        free_image(prev_filter);
                    }
                }
            }
        }
        free_image(copy);
    }
    image delta = get_convolutional_delta(layer);
    return filters;
}

image *visualize_convolutional_layer(convolutional_layer layer, char *window, image *prev_filters)
{
    image *single_filters = weighted_sum_filters(layer, 0);
    show_images(single_filters, layer.n, window);

    image delta = get_convolutional_image(layer);
    image dc = collapse_image_layers(delta, 1);
    char buff[256];
    sprintf(buff, "%s: Delta", window);
    show_image(dc, buff);
    sprintf(buff, "%s: Output", window);
    //show_image(dc, buff);
    //save_image(dc, buff);
    free_image(dc);
    show_image(filters, window);
    free_image(filters);
    return single_filters;
}

#ifdef GPU

cl_kernel get_convolutional_learn_bias_kernel()
{
    static int init = 0;
    static cl_kernel kernel;
    if(!init){
        kernel = get_kernel("src/convolutional_layer.cl", "learn_bias", 0);
        init = 1;
    }
    return kernel;
}

void learn_bias_convolutional_layer_ongpu(convolutional_layer layer)
{
    int size = convolutional_out_height(layer) * convolutional_out_width(layer);

    cl_setup();
    cl_kernel kernel = get_convolutional_learn_bias_kernel();
    cl_command_queue queue = cl.queue;

    cl_uint i = 0;
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.batch), (void*) &layer.batch);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.n), (void*) &layer.n);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(size), (void*) &size);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.delta_cl), (void*) &layer.delta_cl);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.bias_updates_cl), (void*) &layer.bias_updates_cl);
    check_error(cl);

    const size_t global_size[] = {layer.n};

    cl.error = clEnqueueNDRangeKernel(queue, kernel, 1, 0, global_size, 0, 0, 0, 0);
    check_error(cl);
}

cl_kernel get_convolutional_bias_kernel()
{
    static int init = 0;
    static cl_kernel kernel;
    if(!init){
        kernel = get_kernel("src/convolutional_layer.cl", "bias", 0);
        init = 1;
    }
    return kernel;
}

void bias_output_gpu(const convolutional_layer layer)
{
    int out_h = convolutional_out_height(layer);
    int out_w = convolutional_out_width(layer);
    int size = out_h*out_w;

    cl_setup();
    cl_kernel kernel = get_convolutional_bias_kernel();
    cl_command_queue queue = cl.queue;

    cl_uint i = 0;
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.n), (void*) &layer.n);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(size), (void*) &size);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.biases_cl), (void*) &layer.biases_cl);
    cl.error = clSetKernelArg(kernel, i++, sizeof(layer.output_cl), (void*) &layer.output_cl);
    check_error(cl);

    const size_t global_size[] = {layer.n*size, layer.batch};

    cl.error = clEnqueueNDRangeKernel(queue, kernel, 2, 0, global_size, 0, 0, 0, 0);
    check_error(cl);
}

//#define TIMEIT

void forward_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer layer, cl_mem in)
{
    int i;
    int m = layer.n;
    int k = layer.size*layer.size*layer.c;
    int n = convolutional_out_height(layer)*
        convolutional_out_width(layer);

    bias_output_gpu(layer);

    #ifdef TIMEIT
    clock_t time = clock();
    printf("Forward\n");
    #endif

    im2col_ongpu(in, layer.batch, layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, layer.pad, layer.col_image_cl);

    #ifdef TIMEIT
    clFinish(cl.queue);
    printf("Im2col %f\n", sec(clock()-time));
    time = clock();
    #endif

    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        cl_mem a = layer.filters_cl;
        cl_mem b = layer.col_image_cl;
        cl_mem c = layer.output_cl;
        gemm_ongpu_offset(0,0,m,n,k,1.,a,0,k,b,i*k*n,n,1.,c,i*m*n,n);
    }
    #ifdef TIMEIT
    clFinish(cl.queue);
    printf("Gemm %f\n", sec(clock()-time));
    #endif
    activate_array_ongpu(layer.output_cl, m*n*layer.batch, layer.activation);
    #ifdef TIMEIT
    cl_read_array(layer.output_cl, layer.output, m*n*layer.batch);
    #endif
}

void backward_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer layer, cl_mem delta_cl)
{
    int i;
    int m = layer.n;
    int n = layer.size*layer.size*layer.c;
    int k = convolutional_out_height(layer)*
        convolutional_out_width(layer);
    gradient_array_ongpu(layer.output_cl, m*k*layer.batch, layer.activation, layer.delta_cl);
    learn_bias_convolutional_layer_ongpu(layer);

    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        cl_mem a = layer.delta_cl;
        cl_mem b = layer.col_image_cl;
        cl_mem c = layer.filter_updates_cl;

        gemm_ongpu_offset(0,1,m,n,k,1,a,i*m*k,k,b,i*k*n,k,1,c,0,n);
    }

    if(delta_cl){
        m = layer.size*layer.size*layer.c;
        k = layer.n;
        n = convolutional_out_height(layer)*
            convolutional_out_width(layer);

        for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
            cl_mem a = layer.filters_cl;
            cl_mem b = layer.delta_cl;
            cl_mem c = layer.col_image_cl;

            gemm_ongpu_offset(1,0,m,n,k,1,a,0,m,b,i*k*n,n,0,c,i*m*n,n);
        }

        scal_ongpu(layer.batch*layer.h*layer.w*layer.c,0,delta_cl, 1);
        col2im_ongpu(layer.col_image_cl, layer.batch, layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, layer.pad, delta_cl);
    }
}

void pull_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
{
    cl_read_array(layer.filters_cl, layer.filters, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cl_read_array(layer.biases_cl, layer.biases, layer.n);
}

void push_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
{
    cl_write_array(layer.filters_cl, layer.filters, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cl_write_array(layer.biases_cl, layer.biases, layer.n);
}

void update_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer layer)
{
    int size = layer.size*layer.size*layer.c*layer.n;
    axpy_ongpu(layer.n, layer.learning_rate, layer.bias_updates_cl, 1, layer.biases_cl, 1);
    scal_ongpu(layer.n,layer.momentum, layer.bias_updates_cl, 1);

    scal_ongpu(size, 1.-layer.learning_rate*layer.decay, layer.filters_cl, 1);
    axpy_ongpu(size, layer.learning_rate, layer.filter_updates_cl, 1, layer.filters_cl, 1);
    scal_ongpu(size, layer.momentum, layer.filter_updates_cl, 1);
    pull_convolutional_layer(layer);
}


#endif