來源：AI人工智能初學(xué)者
作者：ChaucerG

其實(shí)圖像分類研究取得的大部分進(jìn)展都可以歸功于訓(xùn)練過程的改進(jìn)，如數(shù)據(jù)增加和優(yōu)化方法的改變。但是，大多數(shù)改進(jìn)都沒有比較詳細(xì)的說明。因此作者在本文中測(cè)試實(shí)現(xiàn)了這些改進(jìn)的方法，并通過消融實(shí)驗(yàn)來評(píng)估這些Tricks對(duì)最終模型精度的影響。作者通過將這些改進(jìn)結(jié)合在一起，同時(shí)改進(jìn)了各種CNN模型。在ImageNet上將ResNet-50的Top-1驗(yàn)證精度從75.3%提高到79.29%。同時(shí)還將證明了提高圖像分類精度會(huì)在其他應(yīng)用領(lǐng)域(如目標(biāo)檢測(cè)和語義分割)也可以帶來更好的遷移學(xué)習(xí)性能。

1、Introduction

近年來ImageNet的榜單一直在被刷新，從2012年的AlexNet，再到VGG-Net、NiN、Inception、ResNet、DenseNet以及NASNet；Top-1精度也從62.5%(AlexNet)->82.7%(NASNet-A)；但是這么大精度的提升也不完全是由模型的架構(gòu)改變所帶來的，其中 訓(xùn)練的過程也有會(huì)起到很大的作用，比如，損失函數(shù)的改進(jìn)、數(shù)據(jù)的預(yù)處理方式的改變、以及優(yōu)化方法的選擇等；但是這也是很容易被忽略的部分，因此這篇文章在這里也會(huì)著重討論這個(gè)問題。

2、Efficient Training

近年來硬件發(fā)展迅速，特別是GPU。因此，許多與性能相關(guān)的權(quán)衡的最佳選擇也會(huì)隨之發(fā)生變化。例如，在訓(xùn)練中使用較低的數(shù)值精度和較大的Batch/_Size更有效。
在本節(jié)中將在不犧牲模型精度的情況下實(shí)現(xiàn)低精度和大規(guī)模批量訓(xùn)練的各種技術(shù)。有些技術(shù)甚至可以提高準(zhǔn)確性和訓(xùn)練速度。

2.1、Large-batch training

Mini-Batch SGD將多個(gè)樣本分組到一個(gè)小批量中，以增加并行性，降低傳輸成本。然而，使用Large Batch-size可能會(huì)減慢訓(xùn)練進(jìn)度。對(duì)于凸優(yōu)化問題，收斂率隨著批量大小的增加而降低。類似的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論已經(jīng)被發(fā)表。

換句話說，在相同的epoch數(shù)量下，使用Large Batch-size的訓(xùn)練會(huì)與使用較小批次的訓(xùn)練相比，模型的驗(yàn)證精度降低。很多研究提出了啟發(fā)式搜索的方法來解決這個(gè)問題。下面將研究4種啟發(fā)式方法，可以在單臺(tái)機(jī)器訓(xùn)練中擴(kuò)大Batch-size的規(guī)模。

1）Linear scaling learning rate
在Mini-Batch SGD中，由于樣本是隨機(jī)選取的，所以梯度下降也是一個(gè)隨機(jī)的過程。增加批量大小不會(huì)改變隨機(jī)梯度的期望，但會(huì)減小隨機(jī)梯度的方差。換句話說，大的批量降低了梯度中的噪聲，因此我們可以通過提高學(xué)習(xí)率來在梯度相反的方向上取得更大的進(jìn)展。

Goyal等人提出對(duì)于ResNet-50訓(xùn)練，經(jīng)驗(yàn)上可以根據(jù)批大小線性增加學(xué)習(xí)率。特別是，如果選擇0.1作為批量大小256的初始學(xué)習(xí)率，那么當(dāng)批量大小b變大時(shí)可以將初始學(xué)習(xí)率提高到:

2）Learning rate Warmup
在訓(xùn)練開始時(shí)，所有參數(shù)通常都是隨機(jī)值，因此離最優(yōu)解很遠(yuǎn)。使用過大的學(xué)習(xí)率可能導(dǎo)致數(shù)值不穩(wěn)定。在Warmup中，在一開始使用一個(gè)比較小的學(xué)習(xí)率，然后當(dāng)訓(xùn)練過程穩(wěn)定時(shí)切換回初始設(shè)置的學(xué)習(xí)率base/_lr。

Goyal等人提出了一種Gradual Warmup策略，將學(xué)習(xí)率從0線性地提高到初始學(xué)習(xí)率。換句話說，假設(shè)將使用前m批(例如5個(gè)數(shù)據(jù)epoch)進(jìn)行Warmup，并且初始學(xué)習(xí)率為，那么在第批時(shí)將學(xué)習(xí)率設(shè)為i/=m。

3）Zero
一個(gè)ResNet網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)殘差塊組成，而每個(gè)殘差塊又由多個(gè)卷積層組成。給定輸入，假設(shè)是Last Layer的輸出，那么這個(gè)殘差塊就輸出。注意，Block的最后一層可以是批處理標(biāo)準(zhǔn)化層。
BN層首先標(biāo)準(zhǔn)化它的輸入用表示，然后執(zhí)行一個(gè)scale變換。兩個(gè)參數(shù)、都是可學(xué)習(xí)的，它們的元素分別被初始化為1s和0s。在零初始化啟發(fā)式中，剩余塊末端的所有BN層初始化了。因此，所有的殘差塊只是返回它們的輸入，模擬的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)較少，在初始階段更容易訓(xùn)練。

4）No bias decay
權(quán)值衰減通常應(yīng)用于所有可學(xué)習(xí)參數(shù)，包括權(quán)值和偏差。它等價(jià)于應(yīng)用L2正則化到所有參數(shù)，使其值趨近于0。但如Jia等所指出，建議僅對(duì)權(quán)值進(jìn)行正則化，避免過擬合。無偏差衰減啟發(fā)式遵循這一建議，它只將權(quán)值衰減應(yīng)用于卷積層和全連通層中的權(quán)值。其他參數(shù)，包括偏差和和以及BN層，都沒有進(jìn)行正則化。
LARS提供了分層自適應(yīng)學(xué)習(xí)率，并且對(duì)大的Batch-size(超過16K)有效。本文中單機(jī)訓(xùn)練的情況下，批量大小不超過2K通常會(huì)導(dǎo)致良好的系統(tǒng)效率。

2.2、Low-precision training

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是用32位浮點(diǎn)(FP32)精度訓(xùn)練的。也就是說，所有的數(shù)字都以FP32格式存儲(chǔ)，輸入和輸出以及計(jì)算操作都是FP32類型參與的。然而，新的硬件可能已經(jīng)增強(qiáng)了新的算術(shù)邏輯單元，用于較低精度的數(shù)據(jù)類型。
例如，前面提到的Nvidia V100在FP32中提供了14個(gè)TFLOPS，而在FP16中提供了超過100個(gè)TFLOPS。如下表所示，在V100上從FP32切換到FP16后，整體訓(xùn)練速度提高了2到3倍。

盡管有性能上的好處，降低的精度有一個(gè)更窄的范圍，使結(jié)果更有可能超出范圍，然后干擾訓(xùn)練的進(jìn)展。Micikevicius等人提出在FP16中存儲(chǔ)所有參數(shù)和激活，并使用FP16計(jì)算梯度。同時(shí)，F(xiàn)P32中所有的參數(shù)都有一個(gè)用于參數(shù)更新的副本。此外，損失值乘以一個(gè)比較小的標(biāo)量scaler以更好地對(duì)齊精度范圍到FP16也是一個(gè)實(shí)際的解決方案。

2.3、Experiment Results

3、Model Tweaks

模型調(diào)整是對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一個(gè)小調(diào)整，比如改變一個(gè)特定卷積層的stride。這樣的調(diào)整通常不會(huì)改變計(jì)算復(fù)雜度，但可能會(huì)對(duì)模型精度產(chǎn)生不可忽略的影響。

3.1、ResNet Tweaks

回顧了ResNet的兩個(gè)比較流行的改進(jìn)，分別稱之為ResNet-B和ResNet-C。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的模型調(diào)整方法ResNet-D。

1）ResNet-B
ResNet-B改變的下采樣塊。觀察到路徑A中的卷積忽略了輸入feature map的四分之三，因?yàn)樗褂玫膬?nèi)核大小為1×1，Stride為2。ResNet-B切換路徑A中前兩個(gè)卷積的步長大小，如圖a所示，因此不忽略任何信息。由于第2次卷積的kernel大小為3×3，路徑a的輸出形狀保持不變。

2）ResNet-C
卷積的計(jì)算代價(jià)是卷積核的寬或高的二次項(xiàng)。一個(gè)7×7的卷積比3×3的卷積的計(jì)算量更大。因此使用3個(gè)3x3的卷積替換1個(gè)7x7的卷積，如圖b所示，與第1和第2個(gè)卷積block的channel=32，stride=2，而最后卷積使用64個(gè)輸出通道。

3）ResNet-D
受ResNet-B的啟發(fā)，下采樣塊B路徑上的1x1卷積也忽略了輸入feature map的3/4，因此想對(duì)其進(jìn)行修改，這樣就不會(huì)忽略任何信息。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在卷積前增加一個(gè)平均為2x2的avg pooling層，將其stride改為1，在實(shí)踐中效果很好，同時(shí)對(duì)計(jì)算成本的影響很小。

4、Training Refinements

4.1、Cosine Learning Rate Decay

Loshchilov等人提出了一種余弦退火策略。一種簡化的方法是通過遵循余弦函數(shù)將學(xué)習(xí)率從初始值降低到0。假設(shè)批次總數(shù)為T(忽略預(yù)熱階段)，那么在批次T時(shí)，學(xué)習(xí)率tm計(jì)算為：

可以看出，余弦衰減在開始時(shí)緩慢地降低了學(xué)習(xí)速率，然后在中間幾乎變成線性減少，在結(jié)束時(shí)再次減緩。與step衰減相比，余弦衰減從一開始就對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行衰減，但一直持續(xù)到步進(jìn)衰減將學(xué)習(xí)率降低了10倍，從而潛在地提高了訓(xùn)練進(jìn)度。

importtorch  
  
optim=torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer,T_max,eta_min=0,last_epoch=-1)  

4.2、Label Smoothing

對(duì)于輸出預(yù)測(cè)的標(biāo)簽不可能像真是的label一樣真是，因此這里進(jìn)行一定的平滑策略，具體的Label Smoothing平滑規(guī)則為：

#-*-coding:utf-8-*-  
  
"""  
qi=1-smoothing(ifi=y)  
qi=smoothing/(self.size-1)(otherwise)#所以默認(rèn)可以fill這個(gè)數(shù)，只在i=y的地方執(zhí)行1-smoothing  
另外KLDivLoss和crossentroy的不同是前者有一個(gè)常數(shù)  
predict=torch.FloatTensor([[0,0.2,0.7,0.1,0],  
  
[0,0.9,0.2,0.1,0],  
  
[1,0.2,0.7,0.1,0]])  
對(duì)應(yīng)的label為  
tensor([[0.0250,0.0250,0.9000,0.0250,0.0250],  
[0.9000,0.0250,0.0250,0.0250,0.0250],  
[0.0250,0.0250,0.0250,0.9000,0.0250]])  
區(qū)別于one-hot的  
tensor([[0.,0.,1.,0.,0.],  
[1.,0.,0.,0.,0.],  
[0.,1.,0.,0.,0.]])  
"""  
importtorch  
importtorch.nnasnn  
fromtorch.autogradimportVariable  
importmatplotlib.pyplotasplt  
importnumpyasnp  
  
classLabelSmoothing(nn.Module):  
"Implementlabelsmoothing.size表示類別總數(shù)"  
  
def__init__(self,size,smoothing=0.0):  
super(LabelSmoothing,self).__init__()  
self.criterion=nn.KLDivLoss(size_average=False)  
#self.padding_idx=padding_idx  
self.confidence=1.0-smoothing#ifi=y的公式  
self.smoothing=smoothing  
self.size=size  
self.true_dist=None  
  
defforward(self,x,target):  
"""  
x表示輸入(N，M)N個(gè)樣本，M表示總類數(shù)，每一個(gè)類的概率logP  
target表示label（M，）  
"""  
assertx.size(1)==self.size  
true_dist=x.data.clone()#先深復(fù)制過來  
#printtrue_dist  
true_dist.fill_(self.smoothing/(self.size-1))#otherwise的公式  
#printtrue_dist  
#變成one-hot編碼，1表示按列填充，  
#target.data.unsqueeze(1)表示索引,confidence表示填充的數(shù)字  
true_dist.scatter_(1,target.data.unsqueeze(1),self.confidence)  
self.true_dist=true_dist  
returnself.criterion(x,Variable(true_dist,requires_grad=False))  
  
if__name__:  
#Exampleoflabelsmoothing.  
  
crit=LabelSmoothing(size=5,smoothing=0.1)  
#predict.shape35  
predict=torch.FloatTensor([[0,0.2,0.7,0.1,0],  
[0,0.9,0.2,0.1,0],  
[1,0.2,0.7,0.1,0]])  
  
v=crit(Variable(predict.log()),  
Variable(torch.LongTensor([2,1,0])))  
#Showthetargetdistributionsexpectedbythesystem.  
plt.imshow(crit.true_dist)  

4.3、Knowledge Distillation

在訓(xùn)練過程中增加了一個(gè)蒸餾損失，以懲罰Teacher模型和Student模型的softmax輸出之間的差異。給定一個(gè)輸入，設(shè)p為真概率分布，z和r分別為學(xué)生模型和教師模型最后全連通層的輸出。損失改進(jìn)為：

4.4、Mixup Training

在Mixup中，每次我們隨機(jī)抽取兩個(gè)例子和。然后對(duì)這2個(gè)sample進(jìn)行加權(quán)線性插值，得到一個(gè)新的sample:

其中

importnumpyasnp  
importtorch  
  
  
defmixup_data(x,y,alpha=1.0,use_cuda=True):  
ifalpha>0.:  
lam=np.random.beta(alpha,alpha)  
else:  
lam=1.  
batch_size=x.size()[0]  
ifuse_cuda:  
index=torch.randperm(batch_size).cuda()  
else:  
index=torch.randperm(batch_size)  
  
mixed_x=lam*x+(1-lam)*x[index,:]#自己和打亂的自己進(jìn)行疊加  
y_a,y_b=y,y[index]  
returnmixed_x,y_a,y_b,lam  
  
defmixup_criterion(y_a,y_b,lam):  
returnlambdacriterion,pred:lam*criterion(pred,y_a)+(1-lam)*criterion(pred,y_b)  

4.5、Experiment Results