New feature extraction method

Joseph Redmon

2014-04-17 ac82bde55f3206a7a0d1b7a7580bea05096af32b

 src/convolutional_layer.c

@@ -3,11 +3,21 @@
#include "mini_blas.h"
#include <stdio.h>

int convolutional_out_height(convolutional_layer layer)
{
    return (layer.h-layer.size)/layer.stride + 1;
}

int convolutional_out_width(convolutional_layer layer)
{
    return (layer.w-layer.size)/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 float_to_image(h,w,c,layer.output);
}
@@ -15,22 +25,22 @@
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 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, ACTIVATION activation)
{
    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->h = h;
    layer->w = w;
    layer->c = c;
    layer->n = n;
    layer->batch = batch;
    layer->stride = stride;
    layer->size = size;

@@ -41,21 +51,19 @@
    layer->biases = calloc(n, sizeof(float));
    layer->bias_updates = calloc(n, sizeof(float));
    layer->bias_momentum = calloc(n, sizeof(float));
    float scale = 2./(size*size);
    for(i = 0; i < c*n*size*size; ++i) layer->filters[i] = rand_normal()*scale;
    float scale = 1./(size*size*c);
    for(i = 0; i < c*n*size*size; ++i) layer->filters[i] = scale*(rand_uniform());
    for(i = 0; i < n; ++i){
        //layer->biases[i] = rand_normal()*scale + scale;
        layer->biases[i] = 0;
    }
    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(float));
    layer->output = calloc(out_h * out_w * n, sizeof(float));
    layer->delta  = calloc(out_h * out_w * n, sizeof(float));
    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));
    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);
@@ -63,42 +71,73 @@
    return layer;
}

void resize_convolutional_layer(convolutional_layer *layer, int h, int w, int c)
{
    layer->h = h;
    layer->w = w;
    layer->c = c;
    int out_h = convolutional_out_height(*layer);
    int out_w = convolutional_out_width(*layer);

    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 forward_convolutional_layer(const convolutional_layer layer, float *in)
{
    int i;
    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);
    int n = convolutional_out_height(layer)*
            convolutional_out_width(layer)*
            layer.batch;

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

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

    im2col_cpu(in,  layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, b);
    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        im2col_cpu(in+i*(n/layer.batch),  layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, b+i*(n/layer.batch));
    }
    gemm(0,0,m,n,k,1,a,k,b,n,1,c,n);

    for(i = 0; i < m*n; ++i){
        layer.output[i] = activate(layer.output[i], layer.activation);
    }
    //for(i = 0; i < m*n; ++i) if(i%(m*n/10+1)==0) printf("%f, ", layer.output[i]); printf("\n");

}

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

@@ -108,8 +147,9 @@
    learn_bias_convolutional_layer(layer);
    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)*
            layer.batch;

    float *a = layer.delta;
    float *b = layer.col_image;
@@ -120,10 +160,12 @@

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

    float *a = layer.filters;
    float *b = layer.delta;
@@ -133,8 +175,10 @@
    memset(c, 0, m*n*sizeof(float));
    gemm(1,0,m,n,k,1,a,m,b,n,1,c,n);

    memset(delta, 0, layer.h*layer.w*layer.c*sizeof(float));
    col2im_cpu(c,  layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, delta);
    memset(delta, 0, layer.batch*layer.h*layer.w*layer.c*sizeof(float));
    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        col2im_cpu(c+i*n/layer.batch,  layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, delta+i*n/layer.batch);
    }
}

void update_convolutional_layer(convolutional_layer layer, float step, float momentum, float decay)
@@ -208,7 +252,7 @@

void test_convolutional_layer()
{
    convolutional_layer l = *make_convolutional_layer(4,4,1,1,3,1,LINEAR);
    convolutional_layer l = *make_convolutional_layer(1,4,4,1,1,3,1,LINEAR);
    float input[] =    {1,2,3,4,
                        5,6,7,8,
                        9,10,11,12,
@@ -241,52 +285,48 @@
    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);
    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;
}