半天2k贊火爆推特！李飛飛高徒發布33條神經網絡訓練秘技

栗子 曉查 編譯

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

同學，現在有一份33條神經網絡訓練秘笈，擺在你面前。

AI大佬Andrej Karpathy (簡稱AK) ，剛剛發布了一篇長長長長博客，苦口婆心地列舉了33條技巧和注意事項，全面避免大家踩坑，推特已有2,300多贊。

AK在斯坦福讀博的時候，是飛飛實驗室的成員，畢業去了OpenAI，然后又成了特斯拉的AI負責人，直到如今。

他的博客雖然一年一更，但一字一句皆是皆是多年心血凝結而成，每次更新必有重大回響。

有生之年，我們把內文翻譯如下：

訓練模型的“處方”

總的來說，Andrej Karpathy的技巧就是：不要心急 (文章結尾會道出原因) ，從簡單到復雜逐步完善你的神經網絡。

1、先別著急寫代碼

訓練神經網絡前，別管代碼，先從預處理數據集開始。我們先花幾個小時的時間，了解數據的分布并找出其中的規律。

Andrej有一次在整理數據時發現了重復的樣本，還有一次發現了圖像和標簽中的錯誤。所以先看一眼數據能避免我們走很多彎路。

由于神經網絡實際上是數據集的壓縮版本，因此您將能夠查看網絡（錯誤）預測并了解它們的來源。如果你的網絡給你的預測看起來與你在數據中看到的內容不一致，那么就會有所收獲。

一旦從數據中發現規律，可以編寫一些代碼對他們進行搜索、過濾、排序。把數據可視化能幫助我們發現異常值，而異常值總能揭示數據的質量或預處理中的一些錯誤。

2、設置端到端的訓練評估框架

處理完數據集，接下來就能開始訓練模型了嗎？并不能！下一步是建立一個完整的訓練+評估框架。

在這個階段，我們選擇一個簡單又不至于搞砸的模型，比如線性分類器、CNN，可視化損失。獲得準確度等衡量模型的標準，用模型進行預測。

這個階段的技巧有：

· 固定隨機種子

使用固定的隨機種子，來保證運行代碼兩次都獲得相同的結果，消除差異因素。

· 簡單化

在此階段不要有任何幻想，不要擴增數據。擴增數據后面會用到，但是在這里不要使用，現在引入只會導致錯誤。

· 在評估中添加有效數字

在繪制測試集損失時，對整個測試集進行評估，不要只繪制批次測試損失圖像，然后用Tensorboard對它們進行平滑處理。

· 在初始階段驗證損失函數

驗證函數是否從正確的損失值開始。例如，如果正確初始化最后一層，則應在softmax初始化時測量-log(1/n_classes)。

· 初始化

正確初始化最后一層的權重。如果回歸一些平均值為50的值，則將最終偏差初始化為50。如果有一個比例為1:10的不平衡數據集，請設置對數的偏差，使網絡預測概率在初始化時為0.1。正確設置這些可以加速模型的收斂。

· 人類基線

監控除人為可解釋和可檢查的損失之外的指標。盡可能評估人的準確性并與之進行比較。或者對測試數據進行兩次注釋，并且對于每個示例，將一個注釋視為預測，將第二個注釋視為事實。

· 設置一個獨立于輸入的基線

最簡單的方法是將所有輸入設置為零，看看模型是否學會從輸入中提取任何信息。

· 過擬合一個batch

增加了模型的容量并驗證我們可以達到的最低損失。

· 驗證減少訓練損失

嘗試稍微增加數據容量。

· 在訓練模型前進行數據可視化

將原始張量的數據和標簽可視化，可以節省了調試次數，并揭示了數據預處理和數據擴增中的問題。

· 可視化預測動態

在訓練過程中對固定測試批次上的模型預測進行可視化。

· 使用反向傳播來獲得依賴關系：

一個方法是將第i個樣本的損失設置為1.0，運行反向傳播一直到輸入，并確保僅在第i個樣本上有非零的梯度。

· 概括一個特例：對正在做的事情編寫一個非常具體的函數，讓它運行，然后在以后過程中確保能得到相同的結果。

3、過擬合

首先我們得有一個足夠大的模型，它可以過擬合，減少訓練集上的損失，然后適當地調整它，放棄一些訓練集損失，改善在驗證集上的損失）。

這一階段的技巧有：

· 挑選模型

為了獲得較好的訓練損失，我們需要為數據選擇合適的架構。不要總想著一步到位。如果要做圖像分類，只需復制粘貼ResNet-50，我們可以在稍后的過程中做一些自定義的事。

· Adam方法是安全的

在設定基線的早期階段，使用學習率為3e-4的Adam 。根據經驗，亞當對超參數更加寬容，包括不良的學習率。

· 一次只復雜化一個

如果多個信號輸入分類器，建議逐個輸入，然后增加復雜性，確保預期的性能逐步提升，而不要一股腦兒全放進去。比如，嘗試先插入較小的圖像，然后再將它們放大。

· 不要相信學習率衰減默認值

如果不小心，代碼可能會過早地將學習率減少到零，導致模型無法收斂。我們完全禁用學習率衰減避免這種狀況的發生。

4、正則化

理想的話，我們現在有一個大模型，在訓練集上擬合好了。

現在，該正則化了。舍棄一點訓練集上的準確率，可以換取驗證集上的準確率。

這里有一些技巧：

· 獲取更多數據

至今大家最偏愛的正則化方法，就是添加一些真實訓練數據。

不要在一個小數據集花太大功夫，試圖搞出大事情來。有精力去多收集點數據，這是唯一一個確保性能單調提升的方法。

· 數據擴增

把數據集做大，除了繼續收集數據之外，就是擴增了。旋轉，翻轉，拉伸，做擴增的時候可以野性一點。

· 有創意的擴增

還有什么辦法擴增數據集？比如域隨機化 (Domain Randomization) ，模擬 (Simulation) ，巧妙的混合 (Hybrids) ，比如把數據插進場景里去。甚至可以用上GAN。

· 預訓練

當然，就算你手握充足的數據，直接用預訓練模型也沒壞處。

· 跟監督學習死磕

不要對無監督預訓練太過興奮了。至少在視覺領域，無監督到現在也沒有非常強大的成果。雖然，NLP領域有了BERT，有了會講故事的GPT-2，但我們看到的效果很大程度上還是經過了人工挑選。

· 輸入低維一點

把那些可能包含虛假信號的特征去掉，因為這些東西很可能造成過擬合，尤其是數據集不大的時候。

同理，如果低層細節不是那么重要的話，就輸入小一點的圖片，捕捉高層信息就好了。

· 模型小一點

許多情況下，都可以給網絡加上領域知識限制 (Domain Knowledge Constraints) ，來把模型變小。

比如，以前很流行在ImageNet的骨架上放全連接層，但現在這種操作已經被平均池化取代了，大大減少了參數。

·減小批尺寸

對批量歸一化 (Batch Normalization) 這項操作來說，小批量可能帶來更好的正則化效果 (Regularization) 。

· Dropout

給卷積網絡用dropout2d。不過使用需謹慎，因為這種操作似乎跟批量歸一化不太合得來。

· 權重衰減

增加權重衰減 (Weight Decay) 的懲罰力度。

· 早停法

不用一直一直訓練，可以觀察驗證集的損失，在快要過擬合的時候，及時喊停。

· 也試試大點的模型

注意，這條緊接上條 (且僅接上條) 。

我發現，大模型很容易過擬合，幾乎是必然，但早停的話，模型可以表現很好。

最后的最后，如果想要更加確信，自己訓練出的網絡，是個不錯的分類器，就把第一層的權重可視化一下，看看邊緣 (Edges) 美不美。

如果第一層的過濾器看起來像噪音，就需要再搞一搞了。同理，激活 (Activations) 有時候也會看出瑕疵來，那樣就要研究一下哪里出了問題。

5、調參

讀到這里，你的AI應該已經開始探索廣闊天地了。這里，有幾件事需要注意。

· 隨機網格搜索

在同時調整多個超參數的情況下，網格搜索聽起來是很誘人，可以把各種設定都包含進來。

但是要記住，隨機搜索才是最好的。

直覺上說，這是因為網絡通常對其中一些參數比較敏感，對其他參數不那么敏感。

如果參數a是有用的，參數b起不了什么作用，就應該對a取樣更徹底一些，不要只在幾個固定點上多次取樣。

· 超參數優化

世界上，有許多許多靚麗的貝葉斯超參數優化工具箱，很多小伙伴也給了這些工具好評。

但我個人的經驗是，State-of-the-Art都是用實習生做出來的 (誤) 。

6、還能怎么壓榨**

當你已經找到了好用的架構和好用的超參數，還是有一些技巧，可以在幫你現有模型上獲得更好的結果，榨干最后一絲潛能：

· 模型合體

把幾個模型結合在一起，至少可以保證提升2%的準確度，不管是什么任務。

如果，你買不起太多的算力，就用蒸餾 (Distill) 把模型們集合成一個神經網絡。

· 放那讓它訓練吧

通常，人類一看到損失趨于平穩，就停止訓練了。

但我感覺，還是訓練得昏天黑地，不知道多久了，比較好。

有一次，我意外把一個模型留在那訓練了一整個寒假。

我回來的時候，它就成了State-of-the-Art。

One More Thing

無獨有偶，前兩天有只“陣亡的程序猿”說：

AWS的錢，不是花在你用了多少，而是花在你忘了關電腦。

同學，如果你也曾經有這樣的經歷，那么恭喜，你也有訓練出State-of-the-Art的潛力。

原文鏈接：

http://karpathy.github.io/2019/04/25/recipe/