cs231n 作业3

使用普通RNN进行图像标注

单个RNN神经元行为
在这里插入图片描述
前向传播:在这里插入图片描述
反向传播:在这里插入图片描述

def rnn_step_backward(dnext_h, cache):
  dx, dprev_h, dWx, dWh, db = None, None, None, None, None
  x, Wx, Wh, prev_h, next_h = cache
  dtanh = 1 - next_h**2
  dx = (dnext_h*dtanh).dot(Wx.T)
  dWx = x.T.dot(dnext_h*dtanh)
  dprev_h = (dnext_h*dtanh).dot(Wh.T)
  dWh = prev_h.T.dot(dnext_h*dtanh)
  db = np.sum(dnext_h*dtanh,axis=0)

  return dx, dprev_h, dWx, dWh, db

单层RNN神经元行为

RNN输出有两个方向,一个向上一层(输出层),一个向同层下一个时序,所以反向传播时两个梯度需要相加,输出层梯度可以直接求出(或是上一层中递归求出),所以使用dh(N,T,H)保存好,而同层时序梯度必须在同层中递归计算。
在这里插入图片描述
正向传播:

def rnn_forward(x, h0, Wx, Wh, b):
  h, cache = None, None
  N, T, D = x.shape
  _, H = h0.shape
  h = np.zeros((N,T,H))
  h_next = h0
  cache = []
  for i in range(T):
    h[:,i,:], cache_next = rnn_step_forward(x[:,i,:], h_next, Wx, Wh, b)
    h_next = h[:,i,:]
    cache.append(cache_next)

  return h, cache

反向传播:

def rnn_backward(dh, cache):
  dx, dh0, dWx, dWh, db = None, None, None, None, None
  x, Wx, Wh, prev_h, next_h = cache[-1]
  _, D = x.shape
  N, T, H = dh.shape
  dx = np.zeros((N,T,D))
  dh0 = np.zeros((N,H))
  dWx = np.zeros((D,H))
  dWh = np.zeros((H,H))
  db = np.zeros(H)
  dprev_h_ = np.zeros((N,H))
  for i in range(T-1,-1,-1):
    dx_, dprev_h_, dWx_, dWh_, db_ = rnn_step_backward(dh[:,i,:] + dprev_h_, cache.pop())
    dx[:,i,:] = dx_
    dh0 = dprev_h_
    dWx += dWx_
    dWh += dWh_
    db += db_

  return dx, dh0, dWx, dWh, db

使用LSTM进行图像标注

【LSTM】深入浅出讲解长短时记忆神经网络(结构、原理)
有三种方法应对梯度消失问题:

(1)合理的初始化权重值。初始化权重,使每个神经元尽可能不要取极大或极小值,以躲开梯度消失的区域。

(2)使用 ReLu 代替 sigmoid 和 tanh 作为激活函数。

(3)使用其他结构的RNNS,比如长短时记忆网络(LSTM)和 门控循环单元(GRU),这是最流行的做法。
在这里插入图片描述
单个LSTM神经元向前传播:

def lstm_step_forward(x, prev_h, prev_c, Wx, Wh, b):
  next_h, next_c, cache = None, None, None
  _, H = prev_h.shape
  a = x.dot(Wx) + prev_h.dot(Wh) + b
  i,f,o,g = sigmoid(a[:,:H]),sigmoid(a[:,H:2*H]),sigmoid(a[:,2*H:3*H]),np.tanh(a[:,3*H:])
  next_c = f*prev_c + i*g
  next_h = o*np.tanh(next_c)
  cache = [i, f, o, g, x, prev_h, prev_c, Wx, Wh, b, next_c]
   
  return next_h, next_c, cache

层LSTM神经元向前传播

def lstm_forward(x, h0, Wx, Wh, b):
  h, cache = None, None
  N,T,D = x.shape
  next_c = np.zeros_like(h0)
  next_h = h0
  h, cache = [], []
  for i in range(T):
    next_h, next_c, cache_step = lstm_step_forward(x[:,i,:], next_h, next_c, Wx, Wh, b)
    h.append(next_h)
    cache.append(cache_step)
  h = np.array(h).transpose(1,0,2) #<-----------注意分析h存储后的维度是(T,N,H),需要转置为(N,T,H)
 
  return h, cache

单个LSTM神经元反向传播

def lstm_step_backward(dnext_h, dnext_c, cache):
  dx, dprev_h, dprev_c, dWx, dWh, db = None, None, None, None, None, None
  i, f, o, g, x, prev_h, prev_c, Wx, Wh, b, next_c = cache
   
  do = dnext_h*np.tanh(next_c)
  dnext_c += dnext_h*o*(1-np.tanh(next_c)**2) #<-----------上面分析行为有提到这里的求法
   
  di, df, dg, dprev_c = (g, prev_c, i, f) * dnext_c
  da = np.concatenate([i*(1-i)*di, f*(1-f)*df, o*(1-o)*do, (1-g**2)*dg],axis=1)
  
  db = np.sum(da,axis=0)
  dx, dWx, dprev_h, dWh = (da.dot(Wx.T), x.T.dot(da), da.dot(Wh.T), prev_h.T.dot(da))
 
  return dx, dprev_h, dprev_c, dWx, dWh, db

层LSTM神经元反向传播

def lstm_backward(dh, cache):
  dx, dh0, dWx, dWh, db = None, None, None, None, None
  N,T,H = dh.shape
  _, D = cache[0][4].shape
  dx, dh0, dWx, dWh, db = \
       [], np.zeros((N, H), dtype='float32'), \
       np.zeros((D, 4*H), dtype='float32'), np.zeros((H, 4*H), dtype='float32'), np.zeros(4*H, dtype='float32')
 
  step_dprev_h, step_dprev_c = np.zeros((N,H)),np.zeros((N,H))
  for i in xrange(T-1, -1, -1):
    step_dx, step_dprev_h, step_dprev_c, step_dWx, step_dWh, step_db = \
             lstm_step_backward(dh[:,i,:] + step_dprev_h, step_dprev_c, cache[i])
    dx.append(step_dx) # 每一个输入节点都有自己的梯度
    dWx += step_dWx    # 层共享参数,需要累加和
    dWh += step_dWh    # 层共享参数,需要累加和
    db += step_db      # 层共享参数,需要累加和
  dh0 = step_dprev_h   # 只有最初输入的h0,即feature的投影(图像标注中),需要存储梯度
  dx = np.array(dx[::-1]).transpose((1,0,2))
   
  return dx, dh0, dWx, dWh, db

图像梯度:显著图和高效图像

『cs231n』作业3问题3选讲_通过代码理解图像梯度

图像生成:类别,反演和DeepDream

『cs231n』作业3问题4选讲_图像梯度应用强化

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