【调参实战】BN和Dropout对小模型有什么影响？全局池化相比全连接有什么劣势？
大家好，欢迎来到专栏《调参实战》，虽然当前自动化调参研究越来越火，但那其实只是换了一些参数来调，对参数的理解和调试在机器学习相关任务中是最基本的素质，在这个专栏中我们会带领大家一步一步理解和学习调参。
本次主要讲述图像分类项目中的BN层和Drouout层的调参对比实践，以及全连接层和池化层的对比实践。
作者&编辑 | 言有三
本文资源与结果展示
本文篇幅：3000字
背景要求：会使用Python和任一深度学习开源框架
附带资料：Caffe代码和数据集一份
同步平台：有三AI知识星球(一周内)
1 项目背景与准备工作
在卷积神经网络的设计中，早期出现的Dropout层可以降低模型过拟合的风险，增强模型的泛化性能。而随着Batch Normalization层的出现，Dropout逐渐被代替，Batch Normalization层不仅可以加速模型的训练，还在一定程度上缓解了模拟的过拟合风险。
与之类似，全连接层和全局池化层也是一对冤家，最早期的时候，对于分类任务来说网络最后层都是全连接层，但是因为它的参数量巨大，导致后来被全局池化层替代，那替换就一定是带来正向的结果吗？会不会有什么副作用？
这一期我们来对以上问题进行实践，本次项目开发需要以下环境：
(1) Linux系统，推荐ubuntu16.04或者ubuntu18.04。使用windows系统也可以完成，但是使用Linux效率更高。
(2) 最好拥有一块显存不低于6G的GPU显卡，如果没有使用CPU进行训练速度较慢。
(3) 安装好的Caffe开源框架。
2 Dropout和BN层实践
下面我们首先对Dropout和BN层进行实践，如果对这两者的理解不熟悉的，请查看往期文章：
【AI初识境】深度学习模型中的Normalization，你懂了多少？
【AI初识境】被Hinton，DeepMind和斯坦福嫌弃的池化，到底是什么？
本次的数据集和基准模型与上一期内容相同，大家如果不熟悉就去查看上一期的内容，链接如下：
【调参实战】如何开始你的第一个深度学习调参任务？不妨从图像分类中的学习率入手。
【调参实战】那些优化方法的性能究竟如何，各自的参数应该如何选择？
2.1 Dropout层
首先我们给基准模型添加Dropout层，它通常是被添加在网络靠后的位置，我们将其添加到conv5层后面，得到的模型结构如下：
完整的结构配置如下：
layer {
name: "data"
type: "ImageData"
top: "data"
top: "label"
include {
phase: TRAIN
}
transform_param {
mirror: true
crop_size: 224
mean_value: 104.0
mean_value: 117.0
mean_value: 124.0
}
image_data_param {
source: "list_train_shuffle.txt"
batch_size: 64
shuffle: true
new_height: 256
new_width: 256
}
}
layer {
name: "data"
type: "ImageData"
top: "data"
top: "label"
include {
phase: TEST
}
transform_param {
mirror: false
crop_size: 224
mean_value: 104.0
mean_value: 117.0
mean_value: 124.0
}
image_data_param {
source: "list_val_shuffle.txt"
batch_size: 64
shuffle: false
new_height: 224
new_width: 224
}
}
layer {
bottom: "data"
top: "conv1"
name: "conv1"
type: "Convolution"
param {
lr_mult: 1
decay_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
decay_mult: 0
}
convolution_param {
num_output: 64
pad: 1
kernel_size: 3
stride: 2
weight_filler {
type: "gaussian"
std: 0.01
}
bias_filler {
type: "constant"
value: 0
}
}
}
layer {
bottom: "conv1"
top: "conv1"
name: "relu1"
type: "ReLU"
}
layer {
bottom: "conv1"
top: "conv2"
name: "conv2"
type: "Convolution"
param {
lr_mult: 1
decay_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
decay_mult: 0
}
convolution_param {
num_output: 64
pad: 1
kernel_size: 3
stride: 2
weight_filler {
type: "gaussian"
std: 0.01
}
bias_filler {
type: "constant"
value: 0
}
}
}
layer {
bottom: "conv2"
top: "conv2"
name: "relu2"
type: "ReLU"
}
layer {
bottom: "conv2"
top: "conv3"
name: "conv3"
type: "Convolution"
param {
lr_mult: 1
decay_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
decay_mult: 0
}
convolution_param {
num_output: 128
pad: 1
kernel_size: 3
stride: 2
weight_filler {
type: "gaussian"
std: 0.01
}
bias_filler {
type: "constant"
value: 0
}
}
}
layer {
bottom: "conv3"
top: "conv3"
name: "relu3"
type: "ReLU"
}
layer {
bottom: "conv3"
top: "conv4"
name: "conv4"
type: "Convolution"
param {
lr_mult: 1
decay_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
decay_mult: 0
}
convolution_param {
num_output: 128
pad: 1
stride: 2
kernel_size: 3
weight_filler {
type: "gaussian"
std: 0.01
}
bias_filler {
type: "constant"
value: 0
}
}
}
layer {
bottom: "conv4"
top: "conv4"
name: "relu4"
type: "ReLU"
}
layer {
bottom: "conv4"
top: "conv5"
name: "conv5"
type: "Convolution"
param {
lr_mult: 1
decay_mult: 1
}
param {
lr_mult: 2
decay_mult: 0
}
convolution_param {
num_output: 256
pad: 1
stride: 2
kernel_size: 3
weight_filler {
type: "gaussian"
std: 0.01
}
bias_filler {
type: "constant"
value: 0
}
}
}
layer {
bottom: "conv5"
top: "conv5"
name: "relu5"
type: "ReLU"
}
layer {
name: "drop"
type: "Dropout"
bottom: "conv5"
top: "conv5"
dropout_param {
dropout_ratio: 0.5
}
}
layer {
bottom: "conv5"
top: "pool5"
name: "pool5"
type: "Pooling"
pooling_param {
kernel_size: 7
stride: 1
pool: AVE
}
}
layer {
bottom: "pool5"
top: "fc"
name: "fc"
type: "InnerProduct"
inner_product_param {
num_output: 20
weight_filler {
type: "xavier"
}
bias_filler {
type: "constant"
value: 0
}
}
}
layer {
name: "accuracy_at_1"
type: "Accuracy"
bottom: "fc"
bottom: "label"
top: "accuracy_at_1"
accuracy_param {
top_k: 1
}
}
layer {
name: "accuracy_at_5"
type: "Accuracy"
bottom: "fc"
bottom: "label"
top: "accuracy_at_5"
accuracy_param {
top_k: 5
}
}
layer {
bottom: "fc"
bottom: "label"
top: "loss"
name: "loss"
type: "SoftmaxWithLoss"
}
我们试验了两个不同比率，即Dropout=0.5和Dropout=0.9，优化参数配置如下：
net: "allconv6.prototxt"
test_interval:100
test_iter:15
base_lr: 0.01
lr_policy: "step"
stepsize: 10000
gamma: 0.1
momentum: 0.9
weight_decay: 0.005
display: 100
max_iter: 100000
snapshot: 10000
snapshot_prefix: "models/allconv6_"
solver_mode: GPU
其与基准模型试验结果对比如下：
可以看出，添加Dropout之后，模型明显要稳定很多，但是其性能稍微有所下降，这是因为基准模型本身就比较小，Dropout会降低模型的容量。Dropout=0.5和Dropout=0.9时性能差不多，这都是比较常用的配置，更小的比率预期会进一步降低模型的性能，大家可以进行尝试。
2.2 BN层