迁移学习技巧以及如何更好的finetune 模型

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我是靠谱客的博主光亮吐司，最近开发中收集的这篇文章主要介绍迁移学习技巧以及如何更好的finetune 模型，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

最近在finetune model的时候遇到了点问题，开贴记录一下。也算填自己踩过的坑。
文章参考翻译自cs231n
其实我们常用的直接finetune pre-trained model就属于迁移学习（Transfer Learning）的一种。因为我们很少在训练一个新任务时从零开始训练，一个是由于训练时间限制，另一个时训练样本过大存储空间也不一定允许，如ImageNet数据经济120万张图片，1000个类别，是很麻烦的从头开始训练（train from scratch）。因此我们的迁移学习通常有三种情况：
1：把预训练的CNN模型当做特征提取器：
得到在ImageNet数据库上pre-trained后的CNN模型，去掉最后一层全连接层（因为最后一层的输出是1000个类别的概率，在自己的问题上不适用，因为一般你的类别也并不是1000类），然后将剩下的全部网络结构当做一个特征提取器，原来的网络最后一层的输出就是你的特征，然后将该特征输入一个SVM分类器或者softmax分类器就可以快速实现你自己的分类任务。
2：finetune model
这也是最常用的，因为一般我们并不会简单的把模型像1一样当做特征提取器使用，而是让模型去fit我们的训练数据，使得性能更好。因此我们除了像第一步里面一样去掉最后一个FC层伊以外，在网络训练过程中还要更新权重，进行BP传导（方法见下文）。最简单粗暴的就是对修改后的全部网络层进行权重更新（当自己的数据库较大时），但是当我们本身任务的数据库较小时，为了避免过拟合，我们需要对网络的前几层固定参数（不更新权重），而只更新网络结构的后面几层。这是因为网络的前几层得到的特征是比较基础local的特征，基本适用于全部任务（边缘，角点特征），而网络层数越高的层，和数据库全局信息联系越紧密，（网络越靠后，信息越global，越靠前，越local，local的信息是多数情况共享的，而global的信息和原图紧密相关）。

下面根据你本身数据库的特点有几种情况可参考：
1：新的数据库较小，并且和pre-trained model所使用的训练数据库相似度较高：
由于数据库较小，在进行finetune存在overfit的风险，又由于数据库和原始数据库相似度较高，因此二者不论是local feature还是global feature都比较相近，所以此时最佳的方法是把CNN网络当做特征提取器然后训练一个分类器进行分类
2：新的数据库较大，并且和pre-trained model所使用的训练数据库相似度较高：
很明显，此时我们不用担心overfit，因此对全部网络结构进行finetune是较好的。
3：新的数据库较小，并且和pre-trained model所使用的训练数据库差异很大：
由于数据库较小，不适合进行finetune，由于数据库差异大，应该在单独训练网络结构中较高的层，前面几层local的就不用训练了，直接固定权值。在实际中，这种问题下较好的解决方案一般是从网络的某层开始取出特征，然后训练SVM分类器。
3：新的数据库较大，并且和pre-trained model所使用的训练数据库差异很大：
本来由于数据库较大，可以从头开始训练的，但是在实际中更偏向于训练整个pre-trained model的网络。

其他建议：
1：不要随意移除原始结构中的层或者更改其参数，因为网络结构传导是一层接着一层的，你改了某层的参数，在往后传导的过程中就可能得不到预想的结果。
2：Learning rates学习率：不应该设置的太大，因为我们finetune的前提就是这个模型的权重很多是有意义的，但是你学习率过大的话就会存在更新过快，破坏了原来好的权重信息，一般在finetune时学习率一般设置在1e-5，从头开始训练的话可以设置的大一点：1e-3.

翻译完成，接下来讲一下在tensorflow和caffe中如何实现只更新网络中的某些层的权重，而保持某些层参数固定：

A:caffe中：一个较好的参考
不更新权重的意思就是改层的学习率始终为0，因此在网络中将对应的参数设置为0：

在layer里面加上param { lr_mult: 0 }就可以了，比如全连接层里面：
layer {
    type: "InnerProduct"
    param { # 对应第1个参数blob的配置，也就是全连接层的参数矩阵W的配置
         lr_mult: 0 # 学习率为0，其他参数可以看caffe.proto里面的ParamSpec这个类型
    }
    param { # 对应第2个参数blob的配置，也就是全连接层的偏置项b的配置
        lr_mult: 0 # 学习率为0
    }
}

B:tensorflow中：

    train_params =network.all_params
    new_train_params=[]
    for ij in train_params:
        print ij
    new_train_params=train_params[3:]
    for kk in new_train_params:
        print kk
#    exit()
    optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=model_config['learning_rate']).minimize(cost,var_list=new_train_params)

在写优化函数时，var_list的含义就是需要BP更新权重的层，格式是list，可以根据网络结构自己指定，

new_train_params=train_params[3:]#指定只前三层不更新，只更新后面的层

参加比赛学到的深度学习调参trick：
1：多类问题考虑到样本不平衡问题
trian test split时候采用各个类别内部按比例分割的思路（StratifiedShuffleSplit）
2:数据预处理，
2.1：清理重复数据，使用dHash：差异值哈希。精确度较高，且速度也非常快来判断，参考博客这里写链接内容
后面数据增广，测试数据增广方案差不多前提下，这一步数据清洗能够提高1-2个百分点，很重要！！！
2.2：数据增强不只是有faster rcnn一种截取方式，还有(FCIS) https://github.com/msracver/FCIS (CAM) http://cnnlocalization.csail.mit.edu/