深度学习的模型是怎么训练/优化出来的

Posted 2021-02-01 houkai

以典型的分类问题为例，来梳理模型的训练过程。训练的过程就是问题发现的过程，一次训练是为下一步迭代做好指引。

1.数据准备

准备：

• 数据标注前的标签体系设定要合理
• 用于标注的数据集需要无偏、全面、尽可能均衡
• 标注过程要审核

整理数据集

1. 将各个标签的数据放于不同的文件夹中，并统计各个标签的数目
   如：第一列是路径，最后一列是图片数目。
   
   PS：可能会存在某些标签样本很少/多，记下来模型效果不好就怨它。
2. 样本均衡，样本不会绝对均衡，差不多就行了
   如：控制最大类/最小类<(delta)，(delta=5),最后一列为均衡的目标值。
   

3. 切分样本集
   如：90%用于训练，10%留着测试，比例自己定。训练集合，对于弱势类要重采样，最后的图片列表要shuffle；测试集合就不用重采样了。
   训练中要保证样本均衡，学习到弱势类的特征，测试过程要反应真实的数据集分布。
   第一列是图片路径，后面几列是标签(多任务)。
   
   

4. 按需要的格式生成tfrecord
   按照train.list和validation.list生成需要的格式。生成和解析tfrecord的代码要根据具体情况编写。

2.训练

• 预处理，根据自己的喜好，编写预处理策略。
  preprocessing的方法，变换方案诸如：随机裁剪、随机变换框、添加光照饱和度、修改压缩系数、各种缩放方案、多尺度等。进而，减均值除方差或归一化到[-1,1]，将float类型的Tensor送入网络。
  这一步的目的是：让网络接受的训练样本尽可能多样，不要最后出现原图没问题，改改分辨率或宽高比就跪了的情况。
• 网络设计，基础网络的选择和Loss的设计。
  基础网络的选择和问题的复杂程度息息相关，用ResNet18可以解决的没必要用101；还有一些SE、GN等模块加上去有没有提升也可以去尝试。
  Loss的设计，一般问题的抽象就是设计Loss数据公式的过程。比如多任务中的各个任务权重配比，centorLoss可以让特征分布更紧凑，SmoothL1Loss更平滑避免梯度爆炸等。
• 优化算法
  一般来说，只要时间足够，Adam和SGD+Momentum可以达到的效果差异不大。用框架提供的理论上最好的优化策略就是了。
• 训练过程
  finetune网络，我习惯分两步：首先训练fc层，迭代几个epoch后保存模型；然后基于得到的模型，训练整个网络，一般迭代40-60个epoch可以得到稳定的结果。
  
  total_loss会一直下降的，过程中可以评测下模型在测试集上的表现。真正的loss往往包括两部分。后面total_loss的下降主要是正则项的功劳了。
  

3.评估模型

1.混淆矩阵必不可少
混淆矩阵可以发现哪些类是难区分的。基于混淆矩阵可以得到各类的准召，进而可以得到哪些类比较差。
如：列为真值，行为检测的值。

gt/pl	靴子	单鞋	运动	休闲	棉鞋	雪地靴	帆布	拖鞋	凉鞋	雨鞋
靴子	4524	45	39	79	12	59	5	6	0	20
单鞋	51	4088	15	44	115	9	18	80	43	6
运动	38	6	817	247	0	2	18	8	1	0
休闲	53	47	171	806	17	8	118	15	1	2
棉鞋	12	110	5	15	424	55	2	32	1	1
雪地靴	53	6	5	10	73	628	0	13	2	1
帆布鞋	5	28	16	158	1	1	515	17	3	4
拖鞋	6	139	1	12	33	3	18	2316	60	6
凉鞋	7	69	3	6	0	0	2	55	633	1
雨鞋	26	6	1	3	0	1	2	5	1	499

进而可得：

label	召回	精度
靴子	0.9446648569638756	0.947434554973822
单鞋	0.9147460281942269	0.8996478873239436
运动	0.7185576077396658	0.7614165890027959
休闲	0.6510500807754442	0.5840579710144927
...	...	...

PS：运动-休闲容易混淆。

2.抽样看测试数据
从测试数据中每类抽1000张，把它们的模型结果放在不同的文件夹下。对于分析问题还是很有效的，为什么它会分错，要拿出来看看！
有些确实是人工标错了。

3.CAM
通过CAM可以查看网络究竟学到了什么(是不是学错了)。对于细粒度问题就不用分析CAM了，一般7x7的特征图本来就很小了，根本就看不出细节学到了什么，只能粗略看看部位定位是否准确。

也可以一定程度上帮助理解为什么网络会搞错，比如下面的单鞋被误判为了拖鞋。