炼丹的不二法门

1.数据增广

简单，行之有效地增加训练数据量，提高模型的泛化能力。

• 水平翻转（horizontally flipping）
• 位移 裁剪 颜色抖动（color jittering）
• 组合操作

　　例如同时做旋转和随机尺度变换，此外还可以把每个patch中所有像素在HSV颜色空间中的饱和度和明度提升0.25-4次幂方，乘以0.7-1.4之间的一个因子，再加一个-0.1-0.1之间的值。同样你可以在色调通道（H）对每张图片或patch　　的所有像素增加一个-0.1~0.1之间的值。

2.预处理

• 零均值化和标准化

　　零均值化：X -= numpy.mean(X, axis=0)

　　数据有过大的均值可能导致参数的梯度过大，如果有后续的处理，可能要求数据零均值，比如主成分分析 PCA。零均值化并没有消除像素之间的相对差异，人们对图像信息的摄取通常来自于像素之间的相对色差，而不是像素值的高　　低。归一化是为了让不同维度的数据具有相同的分布。假如二维数据（X1,X2）两个维度都服从均值为零的正态分布，但是X1方差为100，X2方差为1。那么对（X1,X2）进行随机采样在二维坐标系中绘制的图像，应该是狭长的椭圆　　形。 归一化后加快了梯度下降求最优解的速度并有可能提高精度。考虑数据特征提取的表达式：

　　S = w1*x1 + w2*x2 + b

　　梯度计算：

　　dS / dw1 = x1 ; dS / dw2 = x2

　　由于学习率全局统一，所以两者沿梯度步进的速率相等，但由于二者分布不一致，X1沿梯度下降非常陡峭，X2较为平缓，梯度差异太大导致优化困难（下图左），此时优化的步骤容易走之字路线，右图对两个原始特征进行了归一　　　化，其对应的等高线显得很圆，在梯度下降进行求解时能较快的收敛。

　　　　               

　　　min_max标准化：x ＝ (x - min)/(max - min) ，如在处理自然图像时，我们获得的像素值在 [0,255] 区间中，常用的处理是将这些像素值除以 255，使它们缩放到 [0,1] 中.

　　　z-score 0均值标准化：x = (x - u)/σ u为均值，σ为方差

• 白化

　　白化相当于在零均值化和归一化操作之间插入一个旋转操作，将数据投影到主轴上。一张图片经过白化后，可以认为每个像素之间是统计独立的。然而白化很少在卷积神经网络中使用，可能原因是图像信息本来就是依靠像素之间的　　相对差异来体现的，白化让像素间去相关，让这种差异变得不确定，损失了信息。

 3.初始化

• 不要将参数全部初始化为零

　　参数零初始化时，无论输入是什么，中间神经元的激活值都是相同的（任意一个神经元的激活值，当权重W是零向量时，W*X也是零向量，因此经过激活函数后激活值都相同），反向传播过程中计算的梯度也是相同，每个权重参数　　的更新因此也是相同的，网络因此失去了不对称性。解决方法是使用近零的小值来进行初始化，打破网络对称性。

4.训练过程

• 卷积层和池化层

　　输入数据最好是2的整数幂次方，比如32（CIFAR-10中图片尺寸），64，224（ImageNet中常见的尺寸）。此外采用较小尺寸的滤波器（例3x3），小的步长（例1）和0值填充，不仅会减少参数数量，还会提升整个网络的准确率。　　当用3x3的滤波器，步长为1，填充（pad）为1时，会保持图片或特征图的空间尺寸不变。池化层经常用的池化大小是2x2。

• 学习率

　　使用验证集是获得合适LR（Learning Rate）的有效手段。开始训练时，LR通常设为0.1。在实践中，******当你观察到在验证集上的loss或者准确率不再变化时********，将LR除以2或5后继续跑。

• 在预训练的模型上微调

　　很多state-of-the-arts deep networks的模型被开源出来，这些预训练的模型泛化能力（generalization abilities）很强，因此可以在这些模型的基础上根据自己的任务微调。微调涉及两个重要的因素：新数据集的大小和两个数据集　　的相似度

　　

• 激活函数

　　sigmoid 与 tanh 曾经很流行，但现在很少用于视觉模型了，主要原因在于当输入的绝对值较大时，其梯度（导数）接近于零，这时参数几乎不再更新，梯度的反向传播过程将被中断，出现梯度消散的现象。

　　ReLU 优点：

• 实现起来非常简单，加速了计算过程。

• 加速收敛，没有饱和问题，大大缓解了梯度消散的现象。

　　ReLU 缺点：

　　　就是它可能会永远“死”掉，假如有一组二维数据 X（x1, x2）分布在 x1:[0,1], x2:[0,1] 的区域内，有一组参数 W（w1, w2）对 X 做线性变换，并将结果输入到ReLU。

　　　F ＝ w1*x1 + w2*x
　　　如果 w1 = w2 = -1，那么无论 X 如何取值，F 必然小于等于零。那么 ReLU 函数对 F 的导数将永远为零。这个 ReLU 节点将永远不参与整个模型的学习过程。

          为了解决ReLU 在负区间的导数为零的问题，人们发明了 Leaky ReLU, Parametric ReLU, Randomized ReLU 等变体，他们的中心思想都是为ReLU 函数在负区间赋予一定的斜率，从而让其导数不为零（这里设斜率为 alpha）。

　　Leaky ReLU 就是直接给 alpha 指定一个固定的值，整个模型都用这个斜率
　　Parametric ReLU 将 alpha 作为一个参数，通过从数据中学习获取它的最优值。
　　Randomized ReLU 的alpha 是在规定的区间内随机选取的，在测试阶段是定值。 
　　有学者将当前最优的两类CNN网络结合不同的激活函数在CIFAR-10,CIFAR-100和NDSB数据集上做实验，评价四种激活函数的优劣。 实验结果表明Leaky ReLU取较大的alpha准确率更好。Parametric ReLU很容易在小数据集上过　　拟合（训练集上错误率最低，测试集上不理想），但依然比ReLU好。RReLU效果较好，实验表明它可以克服模型过拟合，这可能由于alpha选择的随机性。在实践中， Parametric ReLU 和 Randomized ReLU 都是可取的。

• 正则化Regularityzation

　　L2正则化：将模型中所有的参数的平方级作为惩罚项加入到目标函数（objective）中来实现。也就是说，对网络中的每一个权重w ，我们将其项 $L_2{\lambda}W_2$加入到目标函数中，其中λ是正则化的强度参数。在惩罚项公式　　的前面加上12是很常见的，这样做的原因是因为优化函数12λw2 求导的时候不至于前面产生一个常数项因子2，而只是λw 这样简单的形式。对L2正则化的直观的解释是，L2正则化对尖峰向量的惩罚很强，并且倾向于分散权重的向　　量。关于L2解决过拟合，比较流行的说法是：模型过于复杂是因为模型尝试去兼顾各个测试数据点， 导致模型函数如下图，处于一种动荡的状态， 在某些很小的区间里，函数值的变化很剧烈。这就意味着函数在某些小区间里的导　　数值（绝对值）非常大，由于自变量值可大可小，所以只有系数足够大，才能保证导数值很大。

　　而加入正则能抑制系数过大的问题：如果发生过拟合， 参数θ一般是比较大的值， 加入惩罚项后， 只要控制λ的大小，当λ很大时，θ1到θn就会很小，即达到了约束数量庞大的特征的目的

 

• DropOut

 

•  学习率

 

 

 图2中横坐标是epoch（网络在整个训练集上完整的跑一遍的时间，所以每个epoch中会有多个mini batches），纵坐标是每个训练batch的分类loss。如果loss曲线表现出线性（下降缓慢）表明学习率太低；如果loss不再下降，表明学习率太高陷入局部最小值；曲线的宽度和batch size有关，如果宽度太宽，说明相邻batch间的变化太大，应该减小batch size。

图3中红色线是训练集上的精确率，绿色验证集上的精确率。当验证集上精确度收敛时，红线和绿线间隔过大很明显训练集上出现了过拟合。当两线间隔很小且准确率都很低时，说明模型学习能力太低，需要增加模型的capacity。

来源：oschina

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