深度学习（二十二）Dropout浅层理解与实现

Dropout浅层理解与实现

原文地址：http://blog.csdn.net/hjimce/article/details/50413257

一、相关工作

    本来今天是要搞《Maxout Networks》和《Network In Network》的，结果发现maxout和dropout有点类似，所以就对dropout做一下相关的总结，了解一下其代码层面的实现。

    Dropout是2012年深度学习视觉领域的开山之作paper：《ImageNet Classification with Deep Convolutional》所提到的算法，用于防止过拟合。在我刚入门深度学习，搞视觉的时候，就有所耳闻，当时只知道它是为了防止过拟合。记得以前啥也不懂，看到《ImageNet Classification with Deep Convolutional》的思路，然后看到很多文献都是采用了同样的思路，于是就跟着模仿，也不知道为什么要这么设计，然后去kaggle竞赛，感觉自己模仿设计出来的网络，感觉精度都好烂，然后也不会分析网络设计哪些合理，哪些不合理。当时要么就是模仿别人，要么就是直接用别人的网络，被领导鄙视了一番……还是不啰嗦了，说多了都是泪。

    网上都说dropout是让某些神经元以一定的概率不工作，但是具体代码怎么实现？原理又是什么，还是有点迷糊，所以就大体扫描了文献：《Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors》、《Improving Neural Networks with Dropout》、《Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overtting》，不过感觉看完以后，还是收获不是很大。下面是我的学习笔记，因为看的不是很细，也没有深入理解，有些地方可能有错，如有错误还请指出。

二、算法概述

我们知道如果要训练一个大型的网络，训练数据很少的话，那么很容易引起过拟合(也就是在测试集上的精度很低)，可能我们会想到用L2正则化、或者减小网络规模。然而深度学习领域大神Hinton，在2012年文献：《Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors》提出了，在每次训练的时候，让一半的特征检测器停过工作，这样可以提高网络的泛化能力，Hinton又把它称之为dropout。而在测试的时候是不需要进行dropout处理的。

Hinton认为过拟合，可以通过阻止某些特征的协同作用来缓解。在每次训练的时候，每个神经元有百分之50的几率被移除，这样可以让一个神经元的出现不应该依赖于另外一个神经元。

另外，我们可以把dropout理解为 模型平均。 假设我们要实现一个图片分类任务，我们设计出了100000个网络，这100000个网络，我们可以设计得各不相同，然后我们对这100000个网络进行训练，训练完后我们采用平均的方法，进行预测，这样肯定可以提高网络的泛化能力，或者说可以防止过拟合，因为这100000个网络，它们各不相同，可以提高网络的稳定性。而所谓的dropout我们可以这么理解，这n个网络，它们权值共享，并且具有相同的网络层数(这样可以大大减小计算量)。我们每次dropout后，网络模型都可以看成是整个网络的子网络。(需要注意的是如果采用dropout，训练时间大大延长，但是对测试阶段没影响)。

啰嗦了这么多，那么到底是怎么实现的？Dropout说的简单一点就是我们让在前向传导的时候，让某个神经元的**值以一定的概率p，让其停止工作，示意图如下：

 

左边是原来的神经网络，右边是采用Dropout后的网络。这个说是这么说，但是具体代码层面是怎么实现的？怎么让某个神经元以一定的概率停止工作？这个我想很多人还不是很了解，代码层面的实现方法，下面就讲解一下其代码层面的实现。以前我们网络的计算公式是：

 

采用dropout后计算公式就变成了：

 

上面公式中Bernoulli函数，是为了以概率p，随机生成一个0、1的向量。

算法实现概述：

1、其实Dropout很容易实现，源码只需要几句话就可以搞定了，让某个神经元以概率p，停止工作，其实就是让它的**值以概率p变为0。比如我们某一层网络神经元的个数为1000个，其**值为x1，x2……x1000，我们dropout比率选择0.4，那么这一层神经元经过drop后，x1……x1000神经元其中会有大约400个的值被置为0。

2、经过上面屏蔽掉某些神经元，使其**值为0以后，我们还需要对向量x1……x1000进行rescale，也就是乘以1/(1-p)。如果你在训练的时候，经过置0后，没有对x1……x1000进行rescale，那么你在测试的时候，就需要对权重进行rescale：

问题来了，上面为什么经过dropout需要进行rescale？查找了相关的文献，都没找到比较合理的解释，后面再结合源码说一下我对这个的见解。

    所以在测试阶段：如果你既不想在训练的时候，对x进行放大，也不愿意在测试的时候，对权重进行缩小(乘以概率p)。那么你可以测试n次，这n次都采用了dropout，然后对预测结果取平均值，这样当n趋近于无穷大的时候，就是我们需要的结果了（也就是说你可以采用train阶段一模一样的代码，包含了dropout在里面，然后前向传导很多次，比如1000000次，然后对着1000000个结果取平均值）。

三、源码实现

下面我引用keras的dropout实现源码进行讲解，keras开源项目github地址为：

https://github.com/fchollet/keras/tree/master/keras。其dropout所在的文件为：

https://github.com/fchollet/keras/blob/master/keras/backend/theano_backend.py，dropout实现函数如下：

[python] view plain copy

1. #dropout函数的实现  
2. def dropout(x, level):  
3.     if level < 0. or level >= 1:#level是概率值，必须在0~1之间  
4.         raise Exception('Dropout level must be in interval [0, 1[.')  
5.     retain_prob = 1. - level  
6.     #我们通过binomial函数，生成与x一样的维数向量。binomial函数就像抛硬币一样，我们可以把每个神经元当做抛硬币一样  
7.     #硬币 正面的概率为p，n表示每个神经元试验的次数  
8.     #因为我们每个神经元只需要抛一次就可以了所以n=1，size参数是我们有多少个硬币。  
9.     sample=np.random.binomial(n=1,p=retain_prob,size=x.shape)#即将生成一个0、1分布的向量，0表示这个神经元被屏蔽，不工作了，也就是dropout了  
10.     print sample  
11.     x *=sample#0、1与x相乘，我们就可以屏蔽某些神经元，让它们的值变为0  
12.     print x  
13.     x /= retain_prob  
14.   
15.     return x  
16. #对dropout的测试，大家可以跑一下上面的函数，了解一个输入x向量，经过dropout的结果  
17. x=np.asarray([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],dtype=np.float32)  
18. dropout(x,0.4)</span>  

函数中，x是本层网络的**值。Level就是dropout就是每个神经元要被丢弃的概率。不过对于dropout后，为什么需要进行rescale：

[python] view plain copy

1. x /= retain_prob  

C++源码实现：

void forward_dropout_layer(dropout_layer l, network_state state)
{
    int i;
    if (!state.train) return;
    for(i = 0; i < l.batch * l.inputs; ++i){
        float r = rand_uniform(0, 1);
        l.rand[i] = r;
        if(r < l.probability) 
			//把神经元赋值为0，则是相当于dropout了
			state.input[i] = 0;
        else
			//这里是把没有抑制的进行rescale，网上说是为了保证原来网络的归一化特性。
			state.input[i] *= l.scale;
    }
}

其中probability是设定好进行抑制的概率，而r就是在（0，1）之间随机产生的，当小于设定的概率时则通过把神经元置为0，这个很巧妙地把抑制概率变为一个阈值设置，因为r本身就是概率事件。

有的人解释有点像归一化一样，就是保证网络的每一层在训练阶段和测试阶段数据分布相同。我查找了很多文献，都没找到比较合理的解释，除了在文献《Regularization of Neural Networks using DropConnect》稍微解释了一下，其它好像都没看到相关的理论解释。

我们前面说过，其实Dropout是类似于平均网络模型。我们可以这么理解，我们在训练阶段训练了1000个网络，每个网络生成的概率为Pi，然后我们在测试阶段的时候，我们肯定要把这1000个网络的输出结果都计算一遍，然后用这1000个输出，乘以各自网络的概率Pi，求得的期望值就是我们最后的平均结果。我们假设，网络模型的输出如下：

M是Dropout中所有的mask集合。所以当我们在测试阶段的时候，我们就是对M中所有的元素网络，最后所得到的输出，做一个期望：

P(M)表示网络各个子网络出现的概率。因为dropout过程中，所有的子网络出现的概率都是相同的，所以。

个人总结：个人感觉除非是大型网络，才采用dropout，不然我感觉自己在一些小型网络上，训练好像很是不爽。之前搞一个比较小的网络，搞人脸特征点定位的时候，因为训练数据不够，怕过拟合，于是就采用dropout，最后感觉好像训练速度好慢，从此就对dropout有了偏见，感觉训练过程一直在波动，很是不爽。

参考文献：

1、《Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors》

2、《Improving Neural Networks with Dropout》

3、《Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overtting》

4、《ImageNet Classification with Deep Convolutional》