導(dǎo)讀

從成千上萬(wàn)小時(shí)的模型訓(xùn)練中累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

在我們的機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)谠S多高性能的機(jī)器已經(jīng)積累了成千上萬(wàn)個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練。然而，并不是只有計(jì)算機(jī)在這個(gè)過(guò)程中學(xué)到了很多東西：我們自己也犯了很多錯(cuò)誤，修復(fù)了很多錯(cuò)誤。

在這里，我們根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)(主要基于 TensorFlow)提出了一些訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用技巧。有些建議對(duì)你來(lái)說(shuō)可能是顯而易見(jiàn)的，但對(duì)我們中的某個(gè)人來(lái)說(shuō)卻不是。其他的建議可能不適用，甚至對(duì)你的特定任務(wù)來(lái)說(shuō)是不好的建議：謹(jǐn)慎使用！

我們承認(rèn)這些都是眾所周知的方法。我們也站在巨人的肩膀上！我們這篇文章的目的僅僅是對(duì)它們進(jìn)行高層次的總結(jié)，以便在實(shí)踐中使用。

通用 Tips

使用 ADAM 優(yōu)化器。它真的很好用。比起傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，如原始的梯度下降，我更喜歡它。注意：如果要保存和恢復(fù)權(quán)重，記得在設(shè)置好AdamOptimizer之后設(shè)置Saver ，因?yàn)?ADAM 也有需要恢復(fù)的狀態(tài)(即每個(gè)權(quán)重的學(xué)習(xí)率)。

ReLU 是最好的非線性(激活函數(shù))。這有點(diǎn)像說(shuō) Sublime 是最好的文本編輯器。但實(shí)際上，ReLUs 是快速的、簡(jiǎn)單的，而且令人驚訝的是，它們能夠工作，并且沒(méi)有梯度衰減的問(wèn)題。雖然 sigmoid 是一種常見(jiàn)的教科書式激活函數(shù)，但它不能很好地通過(guò) DNNs 傳播梯度。

不要在輸出層使用激活函數(shù)。這應(yīng)該是顯而易見(jiàn)的，但這是一個(gè)很容易犯的錯(cuò)誤，如果你用一個(gè)共享函數(shù)構(gòu)建每個(gè)層：一定要在輸出處關(guān)閉激活函數(shù)。

一定要在每一層添加一個(gè)偏差。這是 ML 101：偏差本質(zhì)上是將飛機(jī)轉(zhuǎn)換成最佳位置。在y=mx+b中，b 是偏差，允許直線向上或向下移動(dòng)到“最合適”的位置。

使用 variance-scaled 初始化。在 Tensorflow 中，就像tf.contrib.layers.variance_scaling_initializer()。在我們的經(jīng)驗(yàn)中，這比常規(guī)的高斯分布、截?cái)嗟恼植己?Xavier 更能泛化/縮放。粗略地說(shuō)， variance scaling 初始化根據(jù)每一層的輸入或輸出的數(shù)量來(lái)調(diào)整初始隨機(jī)權(quán)重的方差(TensorFlow 中的默認(rèn)值是輸入的數(shù)量)，從而幫助信號(hào)更深入地傳播到網(wǎng)絡(luò)中，而不需要額外的“技巧”，比如 clipping 或 batch normalization。Xavier 是很相似的方法，但是 Xavier 的所有層的方差幾乎相同，在那些層的形狀變化很大的網(wǎng)絡(luò)(通常是卷積網(wǎng)絡(luò))中，可能不能很好地處理每一層相同的變化。

白化(歸一化)你的輸入數(shù)據(jù)。訓(xùn)練時(shí)，減去數(shù)據(jù)集的均值，然后除以其標(biāo)準(zhǔn)差。你需要向各個(gè)方向拉伸和拉伸的幅度越少，你的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)就會(huì)越快、越容易。保持輸入數(shù)據(jù)的均值以不變的方差為中心有助于解決這個(gè)問(wèn)題。你還必須對(duì)每個(gè)測(cè)試輸入執(zhí)行相同的標(biāo)準(zhǔn)化，因此要確保你的訓(xùn)練集與真實(shí)數(shù)據(jù)相似。

以合理保留其動(dòng)態(tài)范圍的方式縮放輸入數(shù)據(jù)。這與歸一化有關(guān)，但應(yīng)該在歸一化之前進(jìn)行。例如，實(shí)際范圍為[0,140000000]的數(shù)據(jù)“x”通?？梢杂胻anh(x)或tanh(x/C)來(lái)處理，其中 C是某個(gè)常數(shù)，它拉伸曲線以適應(yīng) tanh 函數(shù)動(dòng)態(tài)的、傾斜的部分中的更多輸入范圍。特別是在輸入數(shù)據(jù)的一端或兩端可能是無(wú)界的情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在(0,1)之間可以更好地學(xué)習(xí)。

不要費(fèi)心降低學(xué)習(xí)速度(通常)。學(xué)習(xí)率下降在 SGD 中更為常見(jiàn)，但 ADAM 自然地處理了這個(gè)問(wèn)題。如果你絕對(duì)想要榨干每一盎司的表現(xiàn)：在訓(xùn)練結(jié)束后短時(shí)間內(nèi)降低學(xué)習(xí)速度，你可能會(huì)看到一個(gè)突然的，非常小的誤差下降，然后它會(huì)再次變平。

如果你的卷積層有 64 或 128 個(gè)濾波器，那可能就足夠了。特別是對(duì)于深度網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，128 已經(jīng)很多了。如果你已經(jīng)有了大量的濾波器，那么添加更多的濾波器可能不會(huì)改善性能。

池化用于轉(zhuǎn)換不變性。池化本質(zhì)上是讓網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)圖像“那部分”的“大意”。例如，最大池可以幫助卷積網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像中特征的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放變得健壯。

調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

如果你的網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有學(xué)習(xí)(意思是：在訓(xùn)練過(guò)程中，損失沒(méi)有收斂，或者你沒(méi)有得到你期望的結(jié)果)，試試下面的建議：

過(guò)擬合！如果你的網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有在學(xué)習(xí)，首先要做的就是在單個(gè)數(shù)據(jù)樣本上讓網(wǎng)絡(luò)過(guò)擬合。這樣的話，準(zhǔn)確度應(yīng)該是 100%或 99.99%，或者接近于 0 的誤差。如果你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行過(guò)擬合，那么可能是體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，但問(wèn)題可能很微妙。如果你可以過(guò)擬合一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，但是在更大的集合上的訓(xùn)練仍然不收斂，請(qǐng)嘗試以下建議。

降低學(xué)習(xí)率。你的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度會(huì)變慢，但它可能會(huì)進(jìn)入一個(gè)以前無(wú)法進(jìn)入的最小值，因?yàn)橹八牟介L(zhǎng)太大了。(直覺(jué)上，當(dāng)你真正想進(jìn)入溝底時(shí)，你的錯(cuò)誤是最低的，想象一下跨過(guò)路邊的水溝。)

提高學(xué)習(xí)率。這將加快訓(xùn)練，幫助收緊反饋回路，這意味著你會(huì)更早知道你的網(wǎng)絡(luò)是否在工作。雖然網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該更快地收斂，但它的結(jié)果可能不會(huì)很好，而且“收斂”的過(guò)程實(shí)際上可能會(huì)跳來(lái)跳去。(使用 ADAM 的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)~0.001 是一個(gè)非常好的值，在許多實(shí)驗(yàn)中都是這樣。)

減小 minibatch 大小。將 minibatch 大小減少到 1 可以提供與權(quán)重更新相關(guān)的更細(xì)粒度的反饋，你可以使用 TensorBoard(或其他調(diào)試/可視化工具)報(bào)告這些更新。

去掉 batch normalization。隨著批大小減少到 1，這樣做可以梯度消失或梯度爆炸。幾個(gè)星期以來(lái)，我們的網(wǎng)絡(luò)都沒(méi)有收斂，當(dāng)我們刪除了 batch normalization 之后，我們意識(shí)到在第二次迭代時(shí)輸出都是 NaN。Batch norm 的作用是給需要止血帶的東西貼上創(chuàng)可貼。它有它用的位置，但只有在你網(wǎng)絡(luò)是沒(méi)有 bug 的情況下才可以用。

增加 minibatch 大小。更大的 minibatch — 如果可以的話，使用整個(gè)訓(xùn)練集 — 減少梯度更新中的方差，使每次迭代更精確。換句話說(shuō)，讓權(quán)重更新的方向是正確的。但是！它的有用性有一個(gè)有效的上限，物理內(nèi)存的限制。通常，我們發(fā)現(xiàn)這不如前兩個(gè)建議那么有用，這兩個(gè)建議將 minibatch 大小減少到 1 并刪除 batch normalization。

檢查一下 reshaping。劇烈的 reshaping(比如改變圖像的 X、Y 維度)會(huì)破壞空間的局部性，使得網(wǎng)絡(luò)更難學(xué)習(xí)，因?yàn)樗脖仨殞W(xué)習(xí) reshaping。(自然景觀變得支離破碎。自然特征在空間上是局部的，這就是為什么 conv 網(wǎng)如此有效的原因。如果使用多個(gè)圖像/通道進(jìn)行 reshape，要特別小心，使用numpy.stack()進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?duì)齊。

仔細(xì)檢查你的損失函數(shù)。如果使用復(fù)合函數(shù)，嘗試將其簡(jiǎn)化為 L1 或 L2。我們發(fā)現(xiàn) L1 對(duì)異常值的敏感度較低，當(dāng)遇到有噪聲的批處理或訓(xùn)練點(diǎn)時(shí)，L1 的調(diào)整幅度較小。

仔細(xì)檢查你的可視化效果，如果適用的話。你的可視化庫(kù)(matplotlib, OpenCV 等)是調(diào)整數(shù)值的比例，還是剪切它們？還可以考慮使用一種感覺(jué)上一致的配色方案。

用一個(gè)例子來(lái)學(xué)習(xí)一下

為了使上面描述的過(guò)程更接近實(shí)際，這里有一些損失圖(通過(guò) TensorBoard 畫出來(lái)的)，用于我們構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些實(shí)際回歸實(shí)驗(yàn)。

起初，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)根本沒(méi)有學(xué)習(xí)：

我們嘗試對(duì)值進(jìn)行 clipping，以防止它們超出界限：

嗯?？纯催@些沒(méi)做平滑的值有多瘋狂。學(xué)習(xí)率太高？我們?cè)囍档蛯W(xué)習(xí)速度，只對(duì)一個(gè)輸入進(jìn)行訓(xùn)練：

你可以看到學(xué)習(xí)率的最初幾個(gè)變化發(fā)生在什么地方(大約在第 300 步和第 3000 步)。顯然，我們衰減得太快了。所以，在衰減之前給它更多的時(shí)間，它可以做得更好：

你可以看到我們?cè)?2000 步和 5000 步時(shí)衰減。這個(gè)更好，但仍然不是很好，因?yàn)樗鼪](méi)有趨近于 0。

然后，我們禁用了學(xué)習(xí)率衰減，并嘗試將值移動(dòng)到一個(gè)更窄的范圍內(nèi)，不過(guò)不是通過(guò)輸入 tanh。雖然這明顯使錯(cuò)誤值低于 1，但我們?nèi)匀徊荒苓^(guò)擬合訓(xùn)練集：

通過(guò)刪除 batch normalization，我們發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)一兩次迭代之后，網(wǎng)絡(luò)可以快速輸出 NaN。我們禁用了 batch normalization，并將初始化更改為 variance scaling。這些改變了一切！我們能夠過(guò)擬合我們的測(cè)試集，只是一個(gè)或兩個(gè)輸入。雖然底部的圖表蓋住了 Y 軸，但初始誤差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 5，表明誤差減少了近 4 個(gè)數(shù)量級(jí)：

上面的圖表非常平滑，但是你可以看到它與測(cè)試輸入過(guò)擬合的速度非?？?，隨著時(shí)間的推移，整個(gè)訓(xùn)練集的損失降到了 0.01 以下。這并沒(méi)有降低學(xué)習(xí)率。在學(xué)習(xí)率下降一個(gè)數(shù)量級(jí)后，我們繼續(xù)訓(xùn)練，得到了更好的結(jié)果：

這些結(jié)果好多了！但是如果我們以幾何的方式衰減學(xué)習(xí)率而不是把訓(xùn)練分成兩部分呢？

將每一步的學(xué)習(xí)率乘以 0.9995，結(jié)果并不好：

大概是因?yàn)樗p太快了，乘數(shù)為 0.999995 的情況要好一些，但結(jié)果幾乎等于完全不衰減。我們從這個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)序列中得出結(jié)論，batch normalization 隱藏了糟糕的初始化所導(dǎo)致的急劇變化的梯度，降低學(xué)習(xí)率對(duì) ADAM 優(yōu)化器并沒(méi)有特別的幫助，除了在最后可能會(huì)故意降低。與 batch normalization 一起，clipping 只是掩蓋了真正的問(wèn)題。我們還通過(guò)將高方差輸入值放入 tanh 來(lái)處理它們。

我們希望隨著你對(duì)構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越熟悉，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些基本技巧非常有用。通常，只是一些簡(jiǎn)單的事情就能改變一切。