深度學(xué)習(xí)如何訓(xùn)練出好的模型
從數(shù)據(jù)層面上, 能夠影響模型性能的有二個(gè)因素:
數(shù)據(jù)集的質(zhì)量
- 數(shù)據(jù)增強(qiáng)
數(shù)據(jù)質(zhì)量:數(shù)據(jù)應(yīng)該是準(zhǔn)確,完整,無誤,且具有代表性。如果數(shù)據(jù)集有錯(cuò)誤或缺失,將會(huì)影響模型的性能,選擇分辨率越高肯定對(duì)模型是越好的,但是也要考慮到模型訓(xùn)練占用的內(nèi)存夠不夠,因?yàn)榉直媛试礁?,?shù)據(jù)量就越大。數(shù)據(jù)量:更多的數(shù)據(jù)通??梢蕴岣吣P偷男阅?,因?yàn)樗沟媚P透哂写硇院头夯芰Α5?,?shù)據(jù)集的大小也會(huì)影響訓(xùn)練時(shí)間和資源要求。但對(duì)模型訓(xùn)練收斂來說,數(shù)據(jù)量大小對(duì)于模型收斂沒有決定性的影響,只能說數(shù)據(jù)量越大,同時(shí)數(shù)據(jù)多樣性分布性很好,模型是一定會(huì)泛化。數(shù)據(jù)多樣性:為了獲得更好的泛化能力,數(shù)據(jù)集應(yīng)該具有多樣性。這意味著應(yīng)該包含不同的樣本,以便模型可以學(xué)習(xí)到數(shù)據(jù)中的各種模式。對(duì)于樣本多樣性來說,每一個(gè)類別的樣本數(shù)量應(yīng)該是一樣的,最好是再增加負(fù)樣本(正樣本就是圖像標(biāo)注信息的,負(fù)樣本沒有標(biāo)注信息的,舉例說正樣本圖像中有人有車、負(fù)樣本圖像中就什么事物都沒有)。其中正樣本和負(fù)樣本比例,建議為1:2或1:3,這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中負(fù)樣本比正樣本更多,但也要根據(jù)自己模型的場景來判斷,如何過多的負(fù)樣本,模型會(huì)偏向于識(shí)別負(fù)樣本,而無法識(shí)別出正樣本了。數(shù)據(jù)預(yù)處理:在選擇數(shù)據(jù)集之前,需要了解數(shù)據(jù)的特性并進(jìn)行預(yù)處理。例如,對(duì)于圖像分類問題,可能需要對(duì)圖像進(jìn)行縮放或裁剪,或者將像素值標(biāo)準(zhǔn)化到[0,1]范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)來源:應(yīng)該選擇可靠的數(shù)據(jù)來源。一些數(shù)據(jù)集可能來自于不可靠的或不真實(shí)的來源,這可能會(huì)導(dǎo)致模型的性能下降。數(shù)據(jù)分割:在選擇數(shù)據(jù)集時(shí),應(yīng)該將數(shù)據(jù)分成訓(xùn)練集,驗(yàn)證集和測(cè)試集。這樣可以用來評(píng)估模型的泛化能力和性能。數(shù)據(jù)標(biāo)注:在某些任務(wù)中,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注,以便訓(xùn)練模型。這可能需要大量的人工勞動(dòng)力和時(shí)間成本。但也需要注意,雖然數(shù)據(jù)集不同類別數(shù)量達(dá)到一樣的平衡,但如果一個(gè)類別在圖像中標(biāo)注的數(shù)量遠(yuǎn)大于另一個(gè)類別在圖像中標(biāo)注的數(shù)量,也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不平衡。因此需要采用一些方法調(diào)整,方法如下:
過采樣(oversampling):對(duì)于少數(shù)類別的樣本,可以通過復(fù)制、插值等方式來增加樣本數(shù)量,從而使不同類別的樣本數(shù)量更加均衡。
欠采樣(undersampling):對(duì)于多數(shù)類別的樣本,可以隨機(jī)刪除一部分樣本,從而使不同類別的樣本數(shù)量更加均衡。
權(quán)重調(diào)整(weighting):對(duì)于不同類別的樣本,可以給每個(gè)樣本賦予不同的權(quán)重,從而使模型更加關(guān)注少數(shù)類別的樣本。一般來說,權(quán)重可以通過計(jì)算每個(gè)類別的樣本比例的倒數(shù)得到。
例如,假設(shè)我們有一個(gè)二分類任務(wù),其中少數(shù)類別的樣本占總樣本數(shù)的比例為0.1,多數(shù)類別的樣本占總樣本數(shù)的比例為0.9。那么我們可以將少數(shù)類別的樣本賦予權(quán)重為1/0.1=10,多數(shù)類別的樣本賦予權(quán)重為1/0.9=1.11,從而使得模型更加關(guān)注少數(shù)類別的樣本。在實(shí)現(xiàn)時(shí),一般可以通過設(shè)置損失函數(shù)中不同類別的權(quán)重參數(shù),或者使用一些針對(duì)不平衡數(shù)據(jù)的損失函數(shù)(如Focal Loss)來實(shí)現(xiàn)樣本權(quán)重的調(diào)整。總結(jié)以上的信息,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)影響模型性能來說,主要圍繞著數(shù)據(jù)的圖像質(zhì)量,和數(shù)據(jù)的平衡性展開(包含數(shù)據(jù)量大小、比例、標(biāo)注數(shù)據(jù)量)
在深度學(xué)習(xí)中,數(shù)據(jù)增強(qiáng)是一種非常重要的技術(shù),它可以擴(kuò)充數(shù)據(jù)集大小,提高模型的泛化能力,減輕過擬合的問題。下面是一些常見的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法,也說明了什么場景適合什么樣的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法。數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法除了將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為張量,以外其他方法也不是隨便用的,一定結(jié)合合適的場景使用。下面列舉了一些常用的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法:
隨機(jī)裁剪(Random cropping):在圖像中隨機(jī)選取一個(gè)區(qū)域進(jìn)行裁剪,從而得到多個(gè)不同的裁剪結(jié)果。
隨機(jī)翻轉(zhuǎn)(Random flipping):對(duì)圖像進(jìn)行隨機(jī)水平或垂直翻轉(zhuǎn),從而得到不同的鏡像結(jié)果。
隨機(jī)旋轉(zhuǎn)(Random rotation):對(duì)圖像進(jìn)行隨機(jī)旋轉(zhuǎn),從而得到不同的旋轉(zhuǎn)角度和方向的圖像。
隨機(jī)縮放(Random scaling):對(duì)圖像進(jìn)行隨機(jī)縮放,從而得到不同大小的圖像。
隨機(jī)顏色變換(Random color jitter):對(duì)圖像進(jìn)行隨機(jī)顏色變換,如亮度、對(duì)比度、飽和度等的調(diào)整。
加噪聲(Add noise):向圖像中添加隨機(jī)噪聲,從而使模型更具有魯棒性。在實(shí)踐中,通常會(huì)根據(jù)具體任務(wù)和數(shù)據(jù)集的特點(diǎn)選擇適合的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法。其中隨機(jī)裁剪、隨機(jī)翻轉(zhuǎn)、隨機(jī)旋轉(zhuǎn)是計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)中通用的方法,不難想象一下,人為何在現(xiàn)實(shí)生活識(shí)別出事物呢,哪怕事物旋轉(zhuǎn)過,只有部分呢。也需要考慮到實(shí)際場景中,選擇合適的方法,具體情況就要自己多思考思考了,比如。
一個(gè)場景就不存在事物旋轉(zhuǎn)的可能,就沒必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)。
場景如果暴露在開闊的地方,就應(yīng)該要考慮到光照的影響, 就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色上的增強(qiáng)。
同時(shí),在使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法時(shí),需要注意避免對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過度增強(qiáng),否則會(huì)對(duì)模型的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外,為了避免過擬合,也可以通過對(duì)不同數(shù)據(jù)集使用不同的數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略來提高模型的泛化能力。
模型選擇選擇適合自己的計(jì)算機(jī)視覺模型需要考慮多個(gè)因素,包括任務(wù)類型、數(shù)據(jù)集、模型復(fù)雜度和計(jì)算資源等。
首先,需要明確自己的任務(wù)類型是圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、語義分割、實(shí)例分割、姿態(tài)估計(jì)、人臉識(shí)別、視頻分析等,不同類型的任務(wù)需要使用不同的模型。
其次,需要考慮使用的數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集的規(guī)模、特點(diǎn)和難度等都會(huì)影響模型的表現(xiàn)和選擇。例如,對(duì)于較小的數(shù)據(jù)集,可以使用輕量級(jí)的模型,而對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)集,需要使用更復(fù)雜的模型,例如深度殘差網(wǎng)絡(luò)、注意力機(jī)制和Transformer等。
此外,還需要考慮計(jì)算資源的限制,例如計(jì)算能力、內(nèi)存大小和顯存大小等。如果計(jì)算資源有限,可以選擇一些輕量級(jí)的模型或使用分布式訓(xùn)練等技術(shù)來加速訓(xùn)練。
最后,還需要考慮模型的復(fù)雜度和訓(xùn)練難度。一般來說,模型越復(fù)雜,需要的計(jì)算資源越多,訓(xùn)練難度也越大。因此,在選擇模型時(shí)需要平衡模型復(fù)雜度和性能表現(xiàn)。
除了上述因素,還有一些其他的因素也需要考慮,例如:
準(zhǔn)確度:模型的準(zhǔn)確度是衡量模型好壞的重要指標(biāo)之一。在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)自己的任務(wù)需求來選擇準(zhǔn)確度最高的模型。
可解釋性:有些任務(wù)需要模型能夠提供可解釋性的結(jié)果,例如目標(biāo)檢測(cè)中需要知道每個(gè)檢測(cè)框?qū)?yīng)的物體類別、位置和大小等信息。因此,選擇模型時(shí)需要考慮其可解釋性。
實(shí)時(shí)性:有些應(yīng)用需要模型能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng),例如無人駕駛和機(jī)器人控制等。因此,選擇模型時(shí)需要考慮其響應(yīng)時(shí)間和效率。
數(shù)據(jù)增強(qiáng):數(shù)據(jù)增強(qiáng)是一種常用的提升模型性能的技術(shù),可以通過擴(kuò)增數(shù)據(jù)集來減輕模型的過擬合問題。因此,選擇模型時(shí)需要考慮其對(duì)數(shù)據(jù)增強(qiáng)的支持程度。
可遷移性:有些應(yīng)用需要模型能夠在不同的場景和任務(wù)中遷移,例如使用預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行微調(diào)。因此,選擇模型時(shí)需要考慮其可遷移性。
- 可擴(kuò)展性:有些應(yīng)用需要模型能夠在不同的設(shè)備和平臺(tái)上運(yùn)行,例如嵌入式設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備等。因此,選擇模型時(shí)需要考慮其可擴(kuò)展性。
綜上所述,選擇適合自己的計(jì)算機(jī)視覺模型需要考慮多個(gè)因素,需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和任務(wù)需求進(jìn)行選擇。同時(shí),也需要關(guān)注最新的研究進(jìn)展和算法,以便更好地應(yīng)對(duì)不斷變化的計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)和應(yīng)用需求具體模型選擇,小編覺得可以先從模型的復(fù)雜度,實(shí)時(shí)性,準(zhǔn)確性先考慮過濾掉不合適的模型,然后從一個(gè)模型復(fù)雜多小的模型開始,使用它的預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行訓(xùn)練,通過訓(xùn)練后的loss和收斂情況等因素,來判斷是否選擇更復(fù)雜的模型超參數(shù)
在深度學(xué)習(xí)中,超參數(shù)是指那些需要手動(dòng)設(shè)置的參數(shù),這些參數(shù)不能直接從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到,而需要通過調(diào)整和優(yōu)化來得到最優(yōu)的模型。超參數(shù)的選擇對(duì)模型的訓(xùn)練和泛化性能有很大的影響。以下是常見的超參數(shù)及其作用:
Learning rate(學(xué)習(xí)率):學(xué)習(xí)率控制了參數(shù)更新的速度,太小的學(xué)習(xí)率會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練速度過慢,而太大的學(xué)習(xí)率則可能導(dǎo)致訓(xùn)練不穩(wěn)定,甚至無法收斂。通常需要根據(jù)具體問題和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。
Batch size(批大小):批大小指每次迭代使用的樣本數(shù)量,過小的批大小會(huì)增加訓(xùn)練時(shí)間,而過大的批大小會(huì)占用過多的內(nèi)存。通常需要在訓(xùn)練開始時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
Number of epochs(迭代次數(shù)):迭代次數(shù)指訓(xùn)練的輪數(shù),過少的迭代次數(shù)會(huì)導(dǎo)致欠擬合,而過多的迭代次數(shù)則會(huì)導(dǎo)致過擬合。通常需要根據(jù)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的表現(xiàn)來確定。
Dropout rate(丟棄率):丟棄率指在訓(xùn)練過程中隨機(jī)丟棄一定比例的神經(jīng)元,從而防止過擬合。過高的丟棄率會(huì)導(dǎo)致模型欠擬合,而過低的丟棄率則會(huì)導(dǎo)致過擬合。通常需要根據(jù)具體問題和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。
Regularization(正則化):正則化通過懲罰模型復(fù)雜度來防止過擬合,常見的正則化方法包括L1正則化和L2正則化。需要根據(jù)具體問題進(jìn)行調(diào)整。
- Optimizer(優(yōu)化器):優(yōu)化器控制了模型參數(shù)的更新方式,常見的優(yōu)化器包括SGD、Adam和RMSprop等。不同的優(yōu)化器對(duì)于不同的問題和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能有不同的效果。
在深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練中,超參數(shù)是指在訓(xùn)練過程中需要手動(dòng)設(shè)置的參數(shù),例如學(xué)習(xí)率、批量大小、正則化系數(shù)等。超參數(shù)的不同取值會(huì)對(duì)模型的性能產(chǎn)生不同的影響,因此需要進(jìn)行合理的設(shè)置。如果超參數(shù)過大,可能會(huì)導(dǎo)致模型過擬合,即在訓(xùn)練集上表現(xiàn)良好,但在測(cè)試集或新數(shù)據(jù)上表現(xiàn)較差;如果超參數(shù)過小,可能會(huì)導(dǎo)致模型欠擬合,即模型在訓(xùn)練集和測(cè)試集上的表現(xiàn)都較差。因此,需要根據(jù)數(shù)據(jù)集和模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。一般來說,設(shè)置超參數(shù)時(shí)需要先使用默認(rèn)值或經(jīng)驗(yàn)值作為起點(diǎn),然后進(jìn)行逐步調(diào)整和驗(yàn)證。通常情況下,學(xué)習(xí)率可以設(shè)置為0.001或0.0001;批量大小可以設(shè)置為32或64;正則化系數(shù)可以設(shè)置為0.01或0.001等。這些值也可以根據(jù)具體任務(wù)和數(shù)據(jù)集進(jìn)行微調(diào)。此外,還有一些更高級(jí)的超參數(shù)設(shè)置方法,例如網(wǎng)格搜索、隨機(jī)搜索、貝葉斯優(yōu)化等。訓(xùn)練中的技巧因?yàn)橛?xùn)練深度學(xué)習(xí)模型,成本更高,不可能使用多鐘超參數(shù)組合,來訓(xùn)練模型,找出其中最優(yōu)的模型,那如何成本低的情況下訓(xùn)練出好的模型呢
在成本低的情況下,可以采用以下方法訓(xùn)練出好的模型:
- 提前停止:在訓(xùn)練模型時(shí),我們可以跟蹤驗(yàn)證集的性能,并在性能不再提高時(shí)停止訓(xùn)練。這可以防止模型過度擬合并節(jié)省訓(xùn)練時(shí)間。
- 隨機(jī)搜索超參數(shù):超參數(shù)是模型的配置選項(xiàng),如層數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)率等。隨機(jī)搜索超參數(shù)可以幫助我們找到最優(yōu)的模型,而不需要嘗試所有可能的超參數(shù)組合。
- 使用預(yù)訓(xùn)練模型:預(yù)訓(xùn)練模型是在大型數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的模型,可以作為初始模型來加速訓(xùn)練過程,并提高模型性能。
- 遷移學(xué)習(xí):遷移學(xué)習(xí)是指將預(yù)訓(xùn)練模型應(yīng)用于新的任務(wù),然后微調(diào)以適應(yīng)新任務(wù)。這可以幫助我們?cè)谛?shù)據(jù)集上訓(xùn)練出更好的模型。
- 批量正則化技術(shù):批量正則化技術(shù),如批量歸一化(Batch Normalization)和權(quán)重衰減(Weight Decay)等,可以幫助我們訓(xùn)練出更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確的模型。
- 硬件優(yōu)化:使用更好的硬件,如GPU和TPU等,可以幫助我們加速模型訓(xùn)練,并節(jié)省時(shí)間和成本。
- 對(duì)比實(shí)驗(yàn):進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)也是選擇最優(yōu)模型的一種方法。對(duì)比實(shí)驗(yàn)是指將不同的模型在相同的數(shù)據(jù)集和任務(wù)下進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試,并通過一些評(píng)價(jià)指標(biāo)來比較它們的性能??梢韵冗x擇一些常用的模型作為基準(zhǔn)線,例如ResNet、Inception、VGG等,再嘗試一些新的模型,如EfficientNet、RegNet、Vision Transformer等,將它們?cè)谙嗤臄?shù)據(jù)集和任務(wù)下進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試,比較它們的性能差異,找出最優(yōu)的模型。需要注意的是,對(duì)比實(shí)驗(yàn)需要選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo),例如準(zhǔn)確率、F1值、平均精度均值(mAP)等,同時(shí)還需要考慮訓(xùn)練時(shí)間、模型大小、推理速度等因素。因此,綜合考慮多個(gè)方面才能得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。
- 集成學(xué)習(xí):是指將多個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行組合,從而得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果的方法。常見的集成學(xué)習(xí)方法包括投票、平均值、堆疊等。投票是指將多個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行投票,選擇得票數(shù)最多的結(jié)果作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。平均值是指將多個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行平均,作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。堆疊是指將多個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果作為輸入,訓(xùn)練一個(gè)新的模型來得到最終預(yù)測(cè)結(jié)果。需要注意的是,集成學(xué)習(xí)需要選擇多個(gè)性能相近的模型進(jìn)行組合,否則可能會(huì)降低預(yù)測(cè)性能。同時(shí),集成學(xué)習(xí)也需要考慮模型的訓(xùn)練時(shí)間、模型大小等因素。
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