站在巨人的肩膀上：遷移學習

在上一篇文章《使用數據加強技術提高模型泛化能力》中，咱們針對訓練數據不足的問題，提出採用數據加強（data augmentation）技術，提高模型的準確率。最終結果是：在17flowers數據集上，咱們將準確率從60%多增長到70%，取得了不錯的效果。然而，對於一個商業應用來講，70%多的準確率仍是有些拿不出手。咱們還有更好的手段嗎？

在這篇文章中，我將介紹一種深度學習的利器：遷移學習（transfer learning），來幫助咱們提升深度學習的準確率。

遷移學習

對於深度學習而言，遷移學習並非一個高深的概念和技術。顧名思義，遷移學習就是把已經訓練好的模型參數遷移到新的模型上，幫助新模型訓練。這也近似於人類的學習過程，即所謂的觸類旁通。

在我以前寫的一篇文章《TensorFlow Hub：探索機器學習組件化》中，我憧憬了將來的機器學習組件化的場景，這其中最核心的就是遷移學習，咱們可以在其餘人訓練的模型的基礎上，根據業務需求，訓練知足特定需求的機器學習模型。

遷移學習領域有一篇公認的比較好的綜述：A Survey on Transfer Learning，有興趣能夠找來看看。固然這篇論文是很早之前的（2013），裏面沒有介紹最新的研究。若是你對理論沒啥興趣，沒有關係，不影響閱讀後面的內容。

遷移學習是如何作到改善模型的呢？這要從特徵提取提及。

特徵提取

所謂特徵，就是一事物異於其餘事物的特色。好比，咱們判斷動物是否昆蟲，有一個簡單的原則：少於三對或多於三對足的動物都不是昆蟲。再好比咱們識別貓和狗，也必定是從某些特徵入手，雖然有些時候咱們並不能清晰的描述出特徵。

在深度學習流行以前，人們一般手工提取特徵，這一般面臨着特徵提取困難、效率低下等問題。到了深度學習階段，咱們一般採用端到端的訓練方式，也就是由計算機自動識別特徵（ 爲了提升效率，訓練前，咱們也可能會對數據進行預處理，好比歸一化、圖片縮放等等，但這和之前的特徵提取並非一回事）。

在計算機視覺領域，卷積神經網絡是應用得最普遍的模型，瞭解卷積神經網絡的同窗可能知道，卷積運算其實是進行圖像特徵的提取，到最後一層，纔是進行分類（softmax、logistic），因此若是咱們得到最後一層的輸入，也就獲得了提取的特徵。

這個在keras中很容易作到，以VGG16爲例：

model = VGG16(weights="imagenet", include_top=False)
複製代碼

以上代碼構造VGG16模型，採用imagenet數據集訓練出的權重，include_top參數決定是否包含最後的輸出層，由於咱們的目的是提取特徵，因此該參數設爲False。

下面的代碼對數據集進行特徵提取，並保存到hdf5格式的文件中，雖然咱們沒法形象化的看出到底提取到什麼特徵，但這個數據對下一步的遷移學習有用。

image_paths = list(paths.list_images(args["dataset"]))
random.shuffle(image_paths)

labels = [p.split(os.path.sep)[-2] for p in image_paths]
le = LabelEncoder()
labels = le.fit_transform(labels)

model = VGG16(weights="imagenet", include_top=False)

dataset = HDF5DatasetWriter((len(image_paths), 512 * 7 * 7), args["output"], data_key="features", buf_size=args["buffer_size"])
dataset.store_class_labels(le.classes_)

for i in np.arange(0, len(image_paths), bs):
  batch_paths = image_paths[i : i+bs]
  batch_labels = labels[i : i + bs]
  batch_images = []

  for (j, image_path) in enumerate(batch_paths):
    image = load_img(image_path, target_size=(224, 224))
    image = img_to_array(image)

    image = np.expand_dims(image, axis=0)
    image = imagenet_utils.preprocess_input(image)
    batch_images.append(image)

  batch_images = np.vstack(batch_images)
  features = model.predict(batch_images, batch_size=bs)
  features = features.reshape((features.shape[0], 512 * 7 * 7))
  dataset.add(features, batch_labels)

dataset.close()
複製代碼

遷移學習實例

在上一步的特徵提取中，使用的權重數據是來自imagenet數據集訓練出的，imagenet屬於超大規模數據集，包含1500萬張圖片，對應2萬多種類別。這樣的數據集，和17flowers數據集的差異很大，那咱們可否使用VGG16提取17flowers的有效特徵，而後進行分類呢？

咱們使用上一步驟提取的特徵，而後應用簡單的Logistic迴歸算法進行分類：

db = h5py.File(args["db"], "r")
i = int(db["labels"].shape[0] * 0.75)

print("[INFO] tuning hyperparameters ...")
params = {"C": [0.1, 1.0, 10.0, 100.0, 1000.0, 10000.0]}
model = GridSearchCV(LogisticRegression(), params, cv=3, n_jobs=args["jobs"])
model.fit(db["features"][:i], db["labels"][:i])
print("[INFO] best hyperparameters: {}".format(model.best_params_))

print("[INFO] evaluating ...")
preds = model.predict(db["features"][i:])
print(classification_report(db["labels"][i:], preds, target_names=db["label_names"]))

print("[INFO] saving model ...")
f = open(args["model"], "w")
f.write(pickle.dumps(model.best_estimator_))
f.close()

db.close()
複製代碼

結果以下：

有沒有感受到意外，準確率達到了難以想象的93%，要知道咱們使用的VGG16模型是使用imagenet數據集訓練出的權重，其類別和17flowers有天壤之別，但這種遷移學習效果就是這麼明顯。這也證實了，諸如VGG之類的網絡可以進行遷移學習，將其判別特徵編碼爲輸出，咱們可使用它來訓練咱們本身的自定義圖像分類器。

總結

一般，遷移學習應用於深度學習和計算機視覺時，有兩種方法：

1. 將網絡視爲特徵提取器，將圖像向前傳播到給定層，將它們視爲特徵向量。
2. 經過向網絡頭部添加一組全新的全鏈接層並調整這些FC層以識別新類（同時仍使用相同的基礎CONV過濾器）來微調網絡。

本文探討的是第一種方法，咱們將VGG、Inception、ResNet做爲強大的特徵提取器，可讓咱們在數量有限的數據集也能訓練出效果不錯的模型。

以上實例均有完整的代碼，點擊閱讀原文，跳轉到我在github上建的示例代碼。

另外，我在閱讀《Deep Learning for Computer Vision with Python》這本書，在微信公衆號後臺回覆「計算機視覺」關鍵字，能夠免費下載這本書的電子版。

往期回顧

1. 使用數據加強技術提高模型泛化能力
2. 計算機視覺與深度學習，看這本書就夠了
3. 提升模型性能，你能夠嘗試這幾招...
4. TensorFlow Hub：探索機器學習組件化