深度学习应用技巧4-模型融合：投票法加权平均法集成模型法

Posted 2023-03-11 微学AI

大家好，我是微学AI，今天给大家介绍一下，深度学习中的模型融合。它是将多个深度学习模型或其预测结果结合起来，以提高模型整体性能的一种技术。

深度学习中的模型融合技术，也叫做集成学习，是指同时使用多个模型来进行预测或分类，将它们的结果结合起来，从而获得更准确、更鲁棒的结果。这种方法能够弥补单个模型的不足之处，提高模型的性能。 

常见的深度学习模型包括卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）等，在实际应用中，通常会使用多个模型来解决同一个任务。然而，单独使用每个模型可能会存在过拟合、欠拟合、训练时间长等一些问题。这时，模型融合技术就派上用场了。 对于模型融合技术，其主要的思想是结合多个模型的优点，减少缺点，从而提高整体的性能。

一、模型融合技巧主要包括以下几个方面：

1. 投票法： 对多个相同类型的模型进行训练，最后通过投票的方式选择输出结果最多的类别作为最终的预测结果。在实践中，通常会使用奇数个模型，以避免出现相同数量的投票结果。

2. 加权平均法： 对多个相同类型的模型的输出结果进行加权平均。采用加权平均法融合的模型，可以根据效果不同，分配不同的权重。

3. 集成多种不同类型的模型： 在深度学习中，常常会使用不同类型的模型，如 CNN、 RNN 、 LSTM 等，将它们进行集成，综合利用不同模型的优点，进一步提高系统的性能。

4. 提前停止模型训练： 训练多个模型时，如果其中一个模型已经达到了最优的状态，可以停止继续训练，以达到快速训练过程和提高融合效果的目的。

模型融合主要提高了深度学习模型的表现力和泛化性能，更好的解决了过拟合等问题。在选择模型融合技巧时，可以根据具体实际应用选择不同的融合方法，灵活运用各种方法，从而得到更好的模型效果。

应用场景想象：

想象你正在参加一个模型比赛，需要对一些数据进行预测。你仅使用了一个模型进行预测，但是你发现这个模型可能存在某些缺陷，导致预测结果不够准确，于是你想到使用模型融合技术。 你开始集成三个不同的模型，每一个模型都有自己的特点和优缺点。为了得到集成模型的预测结果，你可以采用堆叠法，即把三个模型的预测结果作为输入特征，再训练一个新的模型进行预测。通过堆叠，你得到了一个更加准确的预测结果。 如果你觉得模型之间存在评估的差异，你也可以使用加权平均法来集成模型。你可以根据每一个模型的表现，为它们分配一定的权重，然后根据这些权重，对它们输出的结果进行加权平均，从而得到更加精确的预测结果。 最后，你也可以使用投票法，这种方法是将多个模型的预测结果进行投票，选择获得最多票数的结果作为最终预测结果。它会适用于模型数量较多的情况，即使其中某个模型出现了不准确的情况，也不会对最终结果有太大的影响。 通过这些集成模型的方法，你可以在深度学习中获得更为准确、稳定的预测结果，从而提升模型的性能和可靠性。

二、模型融合代码样例：

下面我将利用投票法、加权平均法和集成模型法三种方式对CNN网络进行融合。

import numpy as np
from sklearn.metrics import accuracy_score
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers

# 加载 MNIST 数据集
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = keras.datasets.mnist.load_data()

# 将像素值缩放到 0-1 范围内
train_images = train_images.astype('float32') / 255.
test_images = test_images.astype('float32') / 255.

# 将标签转换为 one-hot 编码
train_labels = keras.utils.to_categorical(train_labels, 10)
test_labels = keras.utils.to_categorical(test_labels, 10)

# 定义 CNN 模型
def create_model():
    model = keras.Sequential()
    model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)))
    model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
    model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
    model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
    model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
    model.add(layers.Flatten())
    model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))
    model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
    return model

# 创建多个 CNN 模型
models = []
for i in range(3):
    model = create_model()
    model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    model.fit(train_images, train_labels, epochs=5, batch_size=128, verbose=1)
    models.append(model)

1.投票法：对测试集进行预测，并取预测结果的众数作为最终预测结果

predictions = []
for model in models:
    predictions.append(model.predict(test_images))
y_pred = np.argmax(np.round(np.mean(predictions, axis=0)), axis=1)
y_true = np.argmax(test_labels, axis=1)

# 计算准确率
acc = accuracy_score(y_true, y_pred)
print("使用投票法进行模型融合的准确率：", acc)

2.加权平均法：为每个模型定义一个权重，并将预测结果加权平均

weights = [0.2, 0.3, 0.5]
predictions = []
for i, model in enumerate(models):
    prediction = model.predict(test_images)
    predictions.append(weights[i] * prediction)
y_pred = np.argmax(np.sum(predictions, axis=0), axis=1)
y_true = np.argmax(test_labels, axis=1)

# 计算准确率
acc = accuracy_score(y_true, y_pred)
print("使用加权平均法进行模型融合的准确率：", acc)

3.模型集成法：将多个 CNN 模型堆叠在一起，将其看作一个更强大的模型，并对测试集进行预测

inputs = keras.Input(shape=(28, 28, 1))
outputs = [model(inputs) for model in models]
y = layers.Average()(outputs)
ensemble_model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=y)
ensemble_model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
# 训练集成模型
ensemble_model.fit(train_images, train_labels, epochs=5, batch_size=64)

# 测试集成模型
predictions = ensemble_model.predict(test_images)
y_pred = np.argmax(predictions, axis=1)
y_true = np.argmax(test_labels, axis=1)

# 计算准确率
acc = accuracy_score(y_true, y_pred)
print("使用模型集成方法进行模型融合的准确率：", acc)

最后我们可以看三种方法的准确率，在实战案例中根据业务需求进行方法的选择。