Darknet源码分析（1）

最新推荐文章于 2025-02-26 18:26:55 发布

iTOYUNA

最新推荐文章于 2025-02-26 18:26:55 发布

阅读量626

点赞数

文章标签：深度学习

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/TOYUNA/article/details/126023397

版权

forward_convolutional_layer

im2col_cpu

gemm

forward_batchnorm_layer

主要分析Darknet框架下前向卷积函数算法部分

forward_convolutional_layer

void forward_convolutional_layer(convolutional_layer l, network net)
{
    int i, j;

    fill_cpu(l.outputs*l.batch, 0, l.output, 1);

    if(l.xnor){
        binarize_weights(l.weights, l.n, l.c/l.groups*l.size*l.size, l.binary_weights);
        swap_binary(&l);
        binarize_cpu(net.input, l.c*l.h*l.w*l.batch, l.binary_input);
        net.input = l.binary_input;
    }

    int m = l.n/l.groups;
    int k = l.size*l.size*l.c/l.groups;
    int n = l.out_w*l.out_h;
    for(i = 0; i < l.batch; ++i){
        for(j = 0; j < l.groups; ++j){
            float *a = l.weights + j*l.nweights/l.groups;
            float *b = net.workspace;
            float *c = l.output + (i*l.groups + j)*n*m;
            float *im =  net.input + (i*l.groups + j)*l.c/l.groups*l.h*l.w;

            if (l.size == 1) {
                b = im;
            } else {
                im2col_cpu(im, l.c/l.groups, l.h, l.w, l.size, l.stride, l.pad, b);
            }
            gemm(0,0,m,n,k,1,a,k,b,n,1,c,n);
        }
    }

    if(l.batch_normalize){
        forward_batchnorm_layer(l, net);
    } else {
        add_bias(l.output, l.biases, l.batch, l.n, l.out_h*l.out_w);
    }

    activate_array(l.output, l.outputs*l.batch, l.activation);
    if(l.binary || l.xnor) swap_binary(&l);
}

函数中算法部分先调用了im2col_cpu，将每个卷积层的输入复制和padding，便于之后的乘加运算。

im2col_cpu

void im2col_cpu(float* data_im,
     int channels,  int height,  int width,
     int ksize,  int stride, int pad, float* data_col) 
{
    int c,h,w;
    int height_col = (height + 2*pad - ksize) / stride + 1;
    int width_col = (width + 2*pad - ksize) / stride + 1;

    int channels_col = channels * ksize * ksize;
    for (c = 0; c < channels_col; ++c) {
        int w_offset = c % ksize;
        int h_offset = (c / ksize) % ksize;
        int c_im = c / ksize / ksize;
        for (h = 0; h < height_col; ++h) {
            for (w = 0; w < width_col; ++w) {
                int im_row = h_offset + h * stride;
                int im_col = w_offset + w * stride;
                int col_index = (c * height_col + h) * width_col + w;
                data_col[col_index] = im2col_get_pixel(data_im, height, width, channels,
                        im_row, im_col, c_im, pad);
            }
        }
    }
}

以第一层卷积为例，416*416*3的输入，将复制为416*416*3*9，便于实现二维卷积。将数据复制重排后，调用gemm进行乘加。

gemm

void gemm_nn(int M, int N, int K, float ALPHA, 
        float *A, int lda, 
        float *B, int ldb,
        float *C, int ldc)
{
    int i,j,k;
    #pragma omp parallel for
    for(i = 0; i < M; ++i){
        for(k = 0; k < K; ++k){
            register float A_PART = ALPHA*A[i*lda+k];
            for(j = 0; j < N; ++j){
                C[i*ldc+j] += A_PART*B[k*ldb+j];
            }
        }
    }
}

没有gpu的情况下，gemm函数调用gemm_cpu，以不转置的情况为例，接下来调用gemm_nn。是否转置不影响乘加结构，只是输入数据的位置不同。gemm_nn的本质是矩阵乘法，以第一层为例：第一层的输入为416*416*27=173056*27，权重为27*16，经过gemm_nn后，输出为173056*16=416*416*16。乘加结果进行BN。

forward_batchnorm_layer

void forward_batchnorm_layer(layer l, network net)
{
    if(l.type == BATCHNORM) copy_cpu(l.outputs*l.batch, net.input, 1, l.output, 1);
    copy_cpu(l.outputs*l.batch, l.output, 1, l.x, 1);
    if(net.train){
        mean_cpu(l.output, l.batch, l.out_c, l.out_h*l.out_w, l.mean);
        variance_cpu(l.output, l.mean, l.batch, l.out_c, l.out_h*l.out_w, l.variance);

        scal_cpu(l.out_c, .99, l.rolling_mean, 1);
        axpy_cpu(l.out_c, .01, l.mean, 1, l.rolling_mean, 1);
        scal_cpu(l.out_c, .99, l.rolling_variance, 1);
        axpy_cpu(l.out_c, .01, l.variance, 1, l.rolling_variance, 1);

        normalize_cpu(l.output, l.mean, l.variance, l.batch, l.out_c, l.out_h*l.out_w);   
        copy_cpu(l.outputs*l.batch, l.output, 1, l.x_norm, 1);
    } else {
        normalize_cpu(l.output, l.rolling_mean, l.rolling_variance, l.batch, l.out_c, l.out_h*l.out_w);
    }
    scale_bias(l.output, l.scales, l.batch, l.out_c, l.out_h*l.out_w);
    add_bias(l.output, l.biases, l.batch, l.out_c, l.out_h*l.out_w);
}

不进行训练的情况下，BN层主要进行normalize_cpu、scale_bias、add_bias。在进行这三个函数前，需要先了解BN层的算法。

BN层的作用是将二维卷积输出通道的数据转换到均值为零，方差为1的范围内，其中一个原因是提高训练速度，具体过程后续文章再分析。实现公式如下：

$X_{BN}=\frac{\gamma (X_{gemm}-mean)}{\sqrt{var}+0.000001}+\beta$

根据公式，依次分析三个函数

void normalize_cpu(float *x, float *mean, float *variance, int batch, int filters, int spatial)
{
    int b, f, i;
    for(b = 0; b < batch; ++b){
        for(f = 0; f < filters; ++f){
            for(i = 0; i < spatial; ++i){
                int index = b*filters*spatial + f*spatial + i;
                x[index] = (x[index] - mean[f])/(sqrt(variance[f]) + .000001f);
            }
        }
    }
}

normalize_cpu函数将gemm的输出减去均值，再除以方差+0.000001。完成了公式中除了 $\gamma$ 和 $\beta$ 参与的部分。

void scale_bias(float *output, float *scales, int batch, int n, int size)
{
    int i,j,b;
    for(b = 0; b < batch; ++b){
        for(i = 0; i < n; ++i){
            for(j = 0; j < size; ++j){
                output[(b*n + i)*size + j] *= scales[i];
            }
        }
    }
}

scale_bias函数将normalize的输出乘scales，完成了公式中 $\gamma$ 参与的乘法。

void add_bias(float *output, float *biases, int batch, int n, int size)
{
    int i,j,b;
    for(b = 0; b < batch; ++b){
        for(i = 0; i < n; ++i){
            for(j = 0; j < size; ++j){
                output[(b*n + i)*size + j] += biases[i];
            }
        }
    }
}

add_bias函数将scale_bias的输出加biases，完成了公式中 $\beta$ 参与的加法。

卷积层和BN层可以整合，以减少运算量。上式中的卷积结果可表示为

$X_{gemm}=\sum_{i=0}^{n}(x_{i}*w_{i})$