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本文转自|AI算法与图像处理

训练深度神经网络是困难的。它需要知识和经验，以适当的训练和获得一个最优模型。在这篇文章中，我想分享我在训练深度神经网络时学到的东西。以下提示和技巧可能对你的研究有益，并可以帮助你加速网络架构或参数搜索。

现在，让我们开始吧……

整理自：https://towardsdatascience.com/a-bunch-of-tips-and-tricks-for-training-deep-neural-networks-3ca24c31ddc8

1

在你开始建立你的网络体系结构，你需要做的第一件事是验证输入到网络的数据，确保输入(x)对应于一个标签(y)。在预测的情况下，确保真实标签(y)正确编码标签索引(或者one-hot-encoding)。否则，训练就不起作用。

2

决定是选择使用预模型还是从头开始训练你的网络?

• 如果问题域中的数据集类似于ImageNet数据集，则对该数据集使用预训练模型。使用最广泛的预训练模型有VGG net、ResNet、DenseNet或Xception等。有许多层架构，例如，VGG(19和16层)，ResNet(152, 101, 50层或更少)，DenseNet(201, 169和121层)。注意:不要尝试通过使用更多的层网来搜索超参数(例如VGG-19, ResNet-152或densen -201层网络，因为它在计算量很大)，而是使用较少的层网(例如VGG-16, ResNet-50或densen -121层)。选择一个预先训练过的模型，你认为它可以用你的超参数提供最好的性能(比如ResNet-50层)。在你获得最佳超参数后，只需选择相同但更多的层网(如ResNet-101或ResNet-152层)，以提高准确性。

  ImageNet：http://www.image-net.org/challenges/LSVRC/2012/

  VGG net ：https://arxiv.org/abs/1409.1556

  ResNet：https://arxiv.org/abs/1512.03385

  DenseNet：https://arxiv.org/abs/1608.06993

  Xception ：https://arxiv.org/abs/1610.02357

• 微调几层，或者如果你有一个小的数据集，只训练分类器，你也可以尝试在你要微调的卷积层之后插入Dropout层，因为它可以帮助对抗网络中的过拟合。

  Dropout：http://jmlr.org/papers/v15/srivastava14a.html

• 如果你的数据集与ImageNet数据集不相似，你可以考虑从头构建并训练你的网络。

3

在你的网络中始终使用归一化层（normalization layers）。如果你使用较大的批处理大小(比如10个或更多)来训练网络，请使用批标准化层（BatchNormalization）。否则，如果你使用较小的批大小(比如1)进行训练，则使用InstanceNormalization层。请注意，大部分作者发现，如果增加批处理大小，那么批处理规范化会提高性能，而当批处理大小较小时，则会降低性能。但是，如果使用较小的批处理大小，InstanceNormalization会略微提高性能。或者你也可以尝试组规范化（GroupNormalization）。

BatchNormalization：https://arxiv.org/abs/1502.03167

InstanceNormalization：https://arxiv.org/abs/1607.08022

GroupNormalization：https://arxiv.org/abs/1803.08494

4

如果你有两个或更多的卷积层(比如Li)对相同的输入(比如F)进行操作（参考下面的示意图理解），那么在特征连接后使用SpatialDropout。由于这些卷积层是在相同的输入上操作的，因此输出特征很可能是相关的。因此，SpatialDropout删除了那些相关的特征，并防止网络中的过拟合。

注意: 它主要用于较低的层而不是较高的层。

SpatialDropout：https://arxiv.org/abs/1411.4280

5

为了确定你的网络容量，尝试用一小部分训练例子来超载你的网络(andrej karpathy的提示)。如果它没有超载，增加你的网络容量。在过拟合后，使用正则化技巧如L1、L2、Dropout或其他技术来对抗过拟合。

L1：https://keras.io/regularizers/

L2：https://keras.io/regularizers/

Dropout：http://jmlr.org/papers/v15/srivastava14a.html

6

另一种正则化技术是约束或限制你的网络权值。这也有助于防止网络中的梯度爆炸问题，因为权值总是有界的。与L2正则化相反，在你的损失函数中惩罚高权重，这个约束直接正则化你的权重。你可以在Keras中轻松设置权重约束:

from keras.constraints import max_norm
# add to Dense layers
model.add(Dense(64, kernel_constraint=max_norm(2.)))
# or add to Conv layers
model.add(Conv2D(64, kernel_constraint=max_norm(2.)))

7

对数据进行均值减法有时会产生非常糟糕的效果，特别是对灰度图像进行减法(我个人在前景分割领域就遇到过这个问题)。

8

在训练前和训练期间，确保打乱训练数据，以防你不能从时序数据中获取有用信息。这可能有助于提高您的网络性能。

9

如果你的问题域与稠密预测（dense prediction）相关(如语义分割)，我建议你使用膨胀残差网络作为预训练模型，因为它最适合稠密预测。

Dilated Residual Networks：https://arxiv.org/abs/1705.09914

10

要捕获对象周围的上下文信息，可以使用多尺度特性的池化模块。该思想成功地应用于语义分割或前景分割中。

semantic segmentation：https://arxiv.org/abs/1802.02611

foreground segmentation：https://arxiv.org/abs/1808.01477

11

Opt-out void labels(或模糊区域)从您的损失或精度计算，如果有。这可以帮助你的网络在预测时更有信心。

12

如果你有高度不平衡的数据问题，在训练期间应用类别加权操作。换句话说，给稀少的类更多的权重，但给主要类更少的权重。使用sklearn可以很容易地计算类权重。或者尝试使用过采样和欠采样技术重新采样你的训练集。这也可以帮助提高预测的准确性。

sklearn：http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.utils.class_weight.compute_class_weight.html

OverSampling and UnderSampling techniques：https://en.wikipedia.org/wiki/Oversampling_and_undersampling_in_data_analysis

13

选择一个正确的优化器。有许多流行的自适应优化器，如Adam, Adagrad, Adadelta，或RMSprop等。SGD+动量被广泛应用于各种问题领域。有两件事需要考虑：

第一，如果你关心快速收敛，使用自适应优化器，如Adam，但它可能会陷入局部极小，提供了糟糕的泛化(下图)。

第二，SGD+momentum可以实现找到全局最小值，但它依赖于鲁棒初始化，而且可能比其他自适应优化器需要更长的时间来收敛(下图)。我建议你使用SGD+动量，因为它能达到更好的最佳效果。

14

有三个学习率起点(即1e- 1,1e -3和1e-6)。如果您对预训练模型进行微调，请考虑小于1e-3(比如1e-4)的低学习率。如果您从头开始训练您的网络，请考虑一个大于或等于1e-3的学习率。您可以尝试这些起点，并调整它们，看看哪个是最好的，选择那个。还有一件事，您可以考虑通过使用 Learning Rate Schedulers来降低训练过程中的学习率。这也可以帮助提高网络性能。

Learning Rate Schedulers：https://keras.io/callbacks/#learningratescheduler

15

除了Learning Rate Schedule 外，即在一定的次数后降低学习率，还有另一种方式，我们可以由一些因素减少学习率，如果验证损loss在某些epoch(比如5)停止改善，减小学习率和如果验证损失停止改善在某些epoch(比如10)，停止训练过程。这可以通过在Keras中使用early stop的ReduceLROnPlateau很容易做到。

ReduceLROnPlateau：https://keras.io/callbacks/#reducelronplateau

EarlyStopping：https://keras.io/callbacks/#earlystopping

16

如果您在dense prediction领域工作，如前景分割或语义分割，您应该使用跳过连接，因为对象边界或有用的信息会由于最大池化操作或strided convolutions而丢失。这也可以帮助您的网络轻松地学习特征空间到图像空间的特征映射，有助于缓解网络中的消失梯度问题。

skip connections：https://arxiv.org/abs/1505.04597

17

数据越多越好!总是使用数据增强，如水平翻转，旋转，缩放裁剪等。这可以帮助大幅度提高精确度。

18

你必须要有一个高速的GPU来进行训练，但是这有点昂贵。如果你想使用免费的云GPU，我推荐使用谷歌Colab。如果你不知道从哪里开始，看看我之前的文章或者尝试各种云GPU平台，如Floydhub或Paperspace等。

Google Colab：https://colab.research.google.com/notebooks/welcome.ipynb#recent=true

使用教程：https://towardsdatascience.com/a-comprehensive-guide-on-how-to-fine-tune-deep-neural-networks-using-keras-on-google-colab-free-daaaa0aced8f

Floydhub：https://www.floydhub.com

Paperspace：https://www.paperspace.com

19

在ReLU之前使用最大池化来节省一些计算。由于ReLU阈值的值为0：f(x)=max(0,x)和最大池化只有max激活：f(x)=max(x1,x2，…，xi)，使用Conv > MaxPool > ReLU 而不是Conv > ReLU > MaxPool。

例如，假设我们有两个从Conv来的激活值(即0.5和-0.5):

• 因此MaxPool > ReLU = max(0, max(0.5，-0.5)) = 0.5

• 和ReLU > MaxPool = max(max(0,0.5), max(0,-0.5)) = 0.5

看到了吗?这两个操作的输出仍然是0.5。在这种情况下，使用MaxPool > ReLU可以节省一个max 操作。

20

考虑采用深度可分离卷积运算，与常规的卷积运算相比，该运算速度快，且参数数量大大减少。

Depthwise Separable Convolution：https://arxiv.org/abs/1610.02357

21

最后但并非最不重要的是不要放弃????。相信自己，你能做到！如果你还没有得到你还找精度高,调整你的hyper-parameters,网络体系结构或训练数据,直到你得到你正在寻找的准确性。

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