深度学习需要注意的11个方面
轉(zhuǎn)自https://blog.csdn.net/u014365862/article/details/77961624
如果你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不工作，該怎么辦？本文作者列舉了搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時可能遇到的11個常見問題，包括預(yù)處理數(shù)據(jù)、正則化、學(xué)習(xí)率、激活函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)權(quán)重設(shè)置等，并提供解決方法和原因解釋，是深度學(xué)習(xí)實踐的有用資料。
如果你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不工作，該怎么辦？作者在這里列出了建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時所有可能做錯的事情，以及他自己的解決經(jīng)驗。
忘記規(guī)范化數(shù)據(jù)
忘記檢查結(jié)果
忘記預(yù)處理數(shù)據(jù)
忘記使用正則化
使用的batch太大
使用了不正確的學(xué)習(xí)率
在最后層使用了錯誤的激活函數(shù)
你的網(wǎng)絡(luò)包含了Bad Gradients
初始化網(wǎng)絡(luò)權(quán)重不正確
你使用的網(wǎng)絡(luò)太深了
使用隱藏單元的數(shù)量不對
忘記規(guī)范化數(shù)據(jù)了
問題描述
在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，思考如何正確地規(guī)范化數(shù)據(jù)是非常重要的。這是一個無法改變的步驟——假如這一步驟沒有小心、正確地做，你的網(wǎng)絡(luò)就幾乎不可能工作。由于這個步驟非常重要，在深度學(xué)習(xí)社區(qū)中也是眾所周知的，所以它很少在論文中被提及，因此初學(xué)者常常在這一步出錯。
怎樣解決？
一般來說，規(guī)范化（normalization）的意思是：將數(shù)據(jù)減去均值，再除以其方差。通常這是對每個輸入和輸出特征單獨做的，但你可能經(jīng)常會希望對特征組做或特別主翼處理某些特征的規(guī)范化。
為什么？
我們需要對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化的主要原因是大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程假設(shè)輸入和輸出數(shù)據(jù)都以一個約是1的標準差和約是0的均值分布。這些假設(shè)在深度學(xué)習(xí)文獻中到處都是，從權(quán)重初始化、激活函數(shù)到訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化算法。
還需要注意
未訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常會輸出約在-1到1范圍之間的值。如果你希望輸出其他范圍的值（例如RBG圖像以0-255范圍的字節(jié)存儲）會出現(xiàn)一些問題。在開始訓(xùn)練時，網(wǎng)絡(luò)會非常不穩(wěn)定，因為比如說預(yù)期值是255，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的值是-1或1——這會被大多數(shù)用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化算法認為是嚴重的錯誤。這會產(chǎn)生過大的梯度，可能導(dǎo)致梯度爆炸。如果不爆炸，那么訓(xùn)練的前幾個階段就是浪費的，因為網(wǎng)絡(luò)首先學(xué)習(xí)的是將輸出值縮小到大致是預(yù)期的范圍。如果規(guī)范化了數(shù)據(jù)（在這種情況下，你可以簡單地將數(shù)值除以128再減去1），就不會發(fā)生這些問題。
一般來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中特征的規(guī)模也決定了其重要性。如果輸出中的有一個特征規(guī)模很大，那么與其他特征相比它會產(chǎn)生更大的錯誤。類似地，輸入中的大規(guī)模特征將主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)并導(dǎo)致下游發(fā)生更大的變化。因此，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫的自動規(guī)范化往往是不夠的，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫會在每個特征的基礎(chǔ)上盲目地減去平均值并除以方差。你可能有一個輸入特征，通常范圍在0.0到0.001之間——這個特征的范圍如此之小，因為它是一個不重要的特征（在這種情況下，你可能不想重新scale），或者因為與其他特征相比它有一些小的單元（在這種情況下，你可能想重新scale）？類似地，要小心具有這樣一個較小范圍的特征，它們的方差接近或等于0，如果將它們規(guī)范化，則會導(dǎo)致NaN不穩(wěn)定。仔細考慮這些問題很重要——考慮你的每個特征真正代表什么，并將所有輸入特征的“units”相等，將這一過程視為規(guī)范化。這是我認為深度學(xué)習(xí)中人在這個loop中真正需要的幾個方面之一。
你忘記檢查結(jié)果了
問題描述
你已經(jīng)訓(xùn)練了幾個epochs的網(wǎng)絡(luò)，也看到錯誤在減少。這是否意味著已經(jīng)完成了？不幸地告訴你，幾乎可以肯定你的代碼中還有某些問題。在數(shù)據(jù)預(yù)處理、訓(xùn)練代碼、甚至inference中都可能有bug。只是因為錯誤率下降了并不意味著你的網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)有用的東西。
怎樣解決？
在流程的每個階段都檢查數(shù)據(jù)是否正確是非常重要的。通常，你需要找到一些可視化結(jié)果的方法。如果是圖像數(shù)據(jù)，那么這很簡單，動畫數(shù)據(jù)也不需要很麻煩就能可視化。但如果是其他類型的數(shù)據(jù)，你必須找到能夠檢查結(jié)果的方法，以確保在預(yù)處理、訓(xùn)練和推斷的每個流程都正確，并將結(jié)果與ground truth數(shù)據(jù)進行比較。
為什么？
與傳統(tǒng)的編程不同，機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)幾乎在所有情況下都會悄悄地發(fā)生失敗。傳統(tǒng)編程過程中，我們習(xí)慣了計算機在發(fā)生錯誤時拋出錯誤，并將其作為信號返回去檢查bug。不幸的是，這個過程不適用于機器學(xué)習(xí)，因此，我們應(yīng)該非常小心，在每個階段用人眼去檢查流程，以便知道何時出現(xiàn)bug，何時需要返回并更徹底地檢查代碼。
還需要注意
有很多方法可以檢查網(wǎng)絡(luò)是否正常工作。一部分方法是為了確切地說明所報告的訓(xùn)練錯誤是什么意思?？梢暬瘧?yīng)用于訓(xùn)練集的網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果——你的網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果與實踐中的ground truth 相比較如何？你可能會在訓(xùn)練期間將錯誤從100降到1，但是如果1的錯誤仍然是不可接受的結(jié)果，那結(jié)果仍然無法使用。如果網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練集上工作，那就檢查驗證集——它仍然適用于以前沒有見過的數(shù)據(jù)嗎？我的建議是從一開始就習(xí)慣于可視化所有內(nèi)容——不要只在網(wǎng)絡(luò)不工作時才可視化——要確保在開始嘗試使用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之前，你已經(jīng)檢查過完整的流程。這是準確評估一些潛在的不同方法的唯一方法。
你忘記預(yù)處理數(shù)據(jù)了
問題描述
大多數(shù)數(shù)據(jù)是很棘手的——通常我們知道的數(shù)據(jù)是類似的，可以用非常不同的數(shù)字表示。以角色動畫（ character animation）為例：如果我們使用角色的關(guān)節(jié)相對于運動捕捉的studio的中心的3D位置來表示數(shù)據(jù)，那么在某個位置或面向某個方向執(zhí)行動作時，相較于在不同的位置、或不同的方向執(zhí)行同一個動作，可能會產(chǎn)生大量不同的數(shù)字表示。那么我們需要以不同的方式表示數(shù)據(jù)——例如在一些局部reference框架（例如相對于角色的質(zhì)量中心），以便相似的動作有相似的數(shù)值表示。
怎樣解決？
思考你的特征表示什么——是否有一些簡單的transformation，可以確保表示相似東西的數(shù)據(jù)點總是得到相似的數(shù)值表示？是否有一個局部的坐標系統(tǒng)可以更自然地表示數(shù)據(jù)——或許是更好的顏色空間——不同的格式？
為什么？
對于作為輸入的數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)僅作一些基本的假設(shè)，其中之一是數(shù)據(jù)所處空間是連續(xù)的——對于大部分空間來說，兩個數(shù)據(jù)點之間的點至少有一些“mix”，兩個相鄰的數(shù)據(jù)點某種意義上表示“相似”的東西。在數(shù)據(jù)空間中存在較大的不連續(xù)性（discontinuities），或存在表示同樣事物的大量分離數(shù)據(jù)（separated data），將使得學(xué)習(xí)任務(wù)變得更加困難。
還需要注意
數(shù)據(jù)預(yù)處理的另一種方法是試著減少所需數(shù)據(jù)變化的組合爆炸。例如，如果在角色動畫數(shù)據(jù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須在每個位置和每個方向?qū)W習(xí)相同的動作組合，那么網(wǎng)絡(luò)有大量容量被浪費了，并且大部分的學(xué)習(xí)過程是重復(fù)的。
忘記使用正則化了
問題描述
正則化（Regularization）——通常以dropout、noise或網(wǎng)絡(luò)隨機過程的某種形式進行，是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的另一個無法改變的方面。即使你認為你擁有比參數(shù)多得多的數(shù)據(jù)量，或過擬合不重要的情況，或沒出現(xiàn)過擬合，你仍然應(yīng)該添加dropout或其他形式的noise。
怎樣解決？
正則化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最基本方法是在網(wǎng)絡(luò)的每個線性層（卷積層或dense層）之前添加dropout。從中等到高的retainment probability開始，例如0.75或0.9。根據(jù)過擬合的可能性進行調(diào)整。如果你仍然認為不可能出現(xiàn)過擬合，那么可以將retainment probability設(shè)置到很高，例如0.99。
為什么？
正則化不僅僅是有關(guān)控制過擬合。通過在訓(xùn)練過程中引入一些隨機過程，你在某種意義上是“平滑”（smoothing）了損失格局。這可以加快訓(xùn)練速度，幫助處理數(shù)據(jù)中的異常值，并防止網(wǎng)絡(luò)的極端權(quán)重配置。
還需要注意
數(shù)據(jù)增強（data augmentation）或其他類型的noise也可以像dropout一樣作為正則化的方式。雖然通常dropout被認為是將序偶多隨機子網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)合起來的技術(shù)，但也可以將dropout視為通過在訓(xùn)練過程中產(chǎn)生許多類似輸入數(shù)據(jù)的變化來動態(tài)地擴展訓(xùn)練集大小的方法。而且我們知道，避免過擬合和提高網(wǎng)絡(luò)準確性的最佳方式是擁有更多網(wǎng)絡(luò)未見過的數(shù)據(jù)。
使用的Batch太大
問題描述
使用太大的batch可能會對網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中的準確性產(chǎn)生負面影響，因為這樣會降低梯度下降的隨機性。
怎樣解決？
找到在訓(xùn)練時你能接受的最小的batch。在訓(xùn)練時能夠最大限度利用GPU并行性的批量大小，對于準確性來說可能并不是最好的，因為在某些時候，更大的batch需要訓(xùn)練更多回（epoch）才能達到相同的準確度。不要擔心從非常小的batch開始，比如16、8甚至是1。
為什么？
使用更小的batch生產(chǎn)更方便（choppier）、更隨機的權(quán)重更新。這樣做有兩大好處。首先，能幫助訓(xùn)練“跳出”原本可能被卡住的局部最小值；其次，可以使訓(xùn)練在“更平坦”的最小值結(jié)束，一般而言，后者會代表更好的泛化性能。
還需要注意
數(shù)據(jù)中的其他元素有時也能像批量大小一樣生效。例如，在處理圖像時，將分辨率翻倍，可能會有把批量大小×4類似的效果。直觀一點看，在CNN中，每個濾波器的權(quán)重更新將在輸入圖像的所有像素以及批處理中的每個圖像上進行平均。將圖像分辨率翻番，將產(chǎn)生超過四倍像素的平均效果，就像將批量大小提高了4倍一樣?？傊?#xff0c;重要的是考慮在每次迭代中最終的漸變更新將被平均多少，并在負面影響與盡可能多地利用GPU并行性之間保持平衡。
學(xué)習(xí)率不正確
問題描述
學(xué)習(xí)率可能會對網(wǎng)絡(luò)好不好訓(xùn)練有很大的影響。如果你剛剛?cè)胄?#xff0c;在常見深度學(xué)習(xí)框架各種默認選項的影響下，幾乎可以肯定你沒有把學(xué)習(xí)率設(shè)置對。
怎樣解決？
把梯度剪裁（gradient clipping）關(guān)掉。找到在訓(xùn)練時不會發(fā)生錯誤的最高的學(xué)習(xí)率的值。然后將學(xué)習(xí)率設(shè)置得比這個值低一點點——這很可能非常接近最佳學(xué)習(xí)率了。
為什么？
許多深度學(xué)習(xí)框架默認會啟用梯度裁剪。這個選項可以防止訓(xùn)練過程中過度優(yōu)化，它會在每個步驟中強制改變權(quán)重，讓權(quán)重發(fā)生最大限度的改變。這可能有用，特別是當數(shù)據(jù)中含有許多異常值的時候，因為異常值會產(chǎn)生很大的錯誤，從而導(dǎo)致大的梯度和權(quán)重更新。但是，默認開啟這個選項也會讓用戶很難手動找到最佳的學(xué)習(xí)率。我發(fā)現(xiàn)大多數(shù)深度學(xué)習(xí)的新手都因為梯度裁剪的原因?qū)W(xué)習(xí)率設(shè)得太高，使得整體訓(xùn)練行為變慢，也使改變學(xué)習(xí)率的效果不可預(yù)測。
還需要注意
如果你正確清理了數(shù)據(jù)，刪除了大部分異常值并且正確設(shè)置學(xué)習(xí)率，那么你實際上并不需要梯度裁剪。在關(guān)閉梯度裁剪后，如果你發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練錯誤偶爾會爆發(fā)，那么你完全可以重新打開梯度裁剪這個選項。但是，需要記住，訓(xùn)練錯誤頻發(fā)的原因幾乎總是表明你數(shù)據(jù)的一些其他異?！眉糁皇且环N臨時的補救方法。
在最后一層使用了錯誤的激活函數(shù)
問題描述
在最后一層使用激活函數(shù)，有時可能意味著你的網(wǎng)絡(luò)無法產(chǎn)生所需的全部范圍的值。最常見的錯誤是在最后一層使用ReLU，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)只能輸出正值。
怎樣解決？
如果你做一個回歸，那么在絕大多數(shù)時候你不會想在最后一層使用任何類型的激活函數(shù)，除非你確切地知道你想要輸出的值的種類是什么。
為什么？
再想想你的數(shù)據(jù)值實際代表什么，以及它們在標準化以后的范圍。最可能的情況是，你的輸出值為unbounded正數(shù)或負數(shù)——在這種情況下，你不應(yīng)在最終層使用激活函數(shù)。如果你的輸出值只在某些范圍內(nèi)有意義，例如由0-1內(nèi)的概率組成，那么最終層應(yīng)該有使用特定的激活函數(shù)，例如Sigmoid激活函數(shù)。
還需要注意
在最后一層使用激活函數(shù)有許多需要注意的地方。也許你知道你的系統(tǒng)最終會將輸出裁剪到 [-1，1]。那么，將這個裁剪過程添加到最終層的激活當中就是有意義的，因為這將確保你的網(wǎng)絡(luò)錯誤函數(shù)不會懲罰大于1或小于-1的值。但是，沒有錯誤也意味著這些大于1或小于-1的值也不會有梯度——這在某些情況下會使你的網(wǎng)絡(luò)無法訓(xùn)練?；蛘?#xff0c;你可能會嘗試在最后一層使用tanh，因為這個激活函數(shù)輸出的值的范圍是 [-1, 1]，但這也可能帶來問題，因為這個函數(shù)的梯度在1或-1附近變得非常小，而為了產(chǎn)生-1或1可能使你的權(quán)重變得非常大。一般來說，最好保險起見，不要在最后一層使用激活函數(shù)。有時候聰明反被聰明誤。
網(wǎng)絡(luò)里有壞的梯度
問題描述
使用ReLU激活函數(shù)的深層網(wǎng)絡(luò)通常會受所謂“死神經(jīng)元”的影響，而后者是由不良梯度引起的。這可能會對網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生負面影響，在某些情況下甚至完全無法訓(xùn)練。
怎樣解決？
如果你發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練誤差經(jīng)過多個epoch后都沒有變化，可能是使用了ReLU激活函數(shù)，讓所有的神經(jīng)元都死掉了。嘗試切換到另一個激活函數(shù)，例如leaky ReLU或ELU，然后再看看是否還存在這樣的情況。
為什么？
ReLU激活函數(shù)的梯度對于正值為1，負值為0。這是因為當輸入小于0時，輸入的一個很小變化不會影響輸出。短期看，這可能不是一個問題，因為正值的梯度很大。但是，層與層可以疊在一起，負的權(quán)重可以將那些梯度很大的正值變?yōu)樘荻葹?的負值；通常情況下，一些乃至所有隱藏單元對于成本函數(shù)都具有零梯度，無論輸入是什么。在這種情況下，我們說網(wǎng)絡(luò)是“死的”，因為權(quán)重完全無法更新。
還需要注意
任何具有零梯度的運算（如裁剪、舍入或最大/最小），在被用于計算成本函數(shù)相對于權(quán)重的導(dǎo)數(shù)時，都將產(chǎn)生不良梯度。如果它們在符號圖里有出現(xiàn)，那么一定要非常小心，因為它們往往會帶來意外的問題。
沒有正確地初始化網(wǎng)絡(luò)權(quán)重
問題描述
如果你沒有正確地初始化你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，那么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根本就不太可能訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的許多其他組件都有某些正確或標準化的權(quán)重初始化，并將權(quán)重設(shè)置為零，或者使用你自己的自定義隨機初始化不起作用。
怎樣解決？
“he”，“l(fā)ecun”或“xavier”的權(quán)重初始化都是很受歡迎的選擇，在幾乎所有情況下都能很好地工作。你選一個就好（我最喜歡的是“l(fā)ecun”），當你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正常運作以后，你也可以自由地進行實驗呀。
為什么？
你可能已經(jīng)知道，可以使用“小的隨機數(shù)”初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，但事情并沒有那么簡單。所有上述初始化都是使用復(fù)雜和詳細的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)的，這些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)說明了它們?yōu)槭裁从闷饋碜詈?。更重要的?#xff0c;圍繞這些初始化構(gòu)建了其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組件，并根據(jù)經(jīng)驗使用它們進行測試——使用你自己的初始化可能會使其他研究人員的結(jié)果復(fù)現(xiàn)得更加困難。
還需要注意
其他層可能也需要仔細地進行初始化。網(wǎng)絡(luò)biases被初始化為零，而其他更復(fù)雜的層（如參數(shù)激活函數(shù)）可能會帶有自己的初始化，把這個弄對也同樣重要。
你用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)太深
問題描述
更深更好嗎？嗯，情況并非總是如此……當我們拼命刷新基準，把某些任務(wù)的精度1%、1%地提升時，更深的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般來說更好。但是，如果你只有3~5層的小網(wǎng)絡(luò)沒有學(xué)習(xí)任何東西，那么我可以保證你用100層的也會失敗，如果不是更糟糕的話。
怎樣解決？
從3到8層的淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開始。只有當你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跑起來學(xué)東西以后，再探索提升精度的方法，并嘗試加深網(wǎng)絡(luò)。
為什么？
在過去十年中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的所有改進都是小的fundamental的變化，這些改變只適用于較小型網(wǎng)絡(luò)作為深層次的性能。如果您的網(wǎng)絡(luò)不工作，除深度之外更有可能是其他的問題。
還需要注意
從小的網(wǎng)絡(luò)開始也意味著訓(xùn)練速度更快，推理更快，迭代不同的設(shè)計和設(shè)置將會更快。最初，所有這些事情都將對準確性產(chǎn)生更大的影響，而不僅僅是堆疊幾層。
使用隱藏單元的數(shù)量不對
問題描述
在某些情況下，使用太多或太少的隱藏單元（hidden units）都可能使網(wǎng)絡(luò)難以訓(xùn)練。隱藏單元太少，可能沒有能力表達所需任務(wù)，而隱藏單元太多，可能會變得緩慢而難以訓(xùn)練，殘差噪音很難消除。
怎樣解決？
從256至1024個之間的隱藏單元開始。然后，看看類似應(yīng)用的其他研究使用多少，并參考使用。如果其他研究人員使用的與你使用的數(shù)字非常不同，那么可能需要有一些具體的原因來解釋。
為什么？
在決定隱藏單元的數(shù)量時，關(guān)鍵要考慮你認為對網(wǎng)絡(luò)傳遞信息所需最少數(shù)量的真實值。你應(yīng)該把這個數(shù)字弄大一點。對于使用更多冗余表示的網(wǎng)絡(luò)，dropout可以。如果你要做分類，可以使用五到十倍的class的數(shù)量，而如果你做回歸，可能需要使用輸入或輸出變量數(shù)量的兩到三倍。當然，所有這些都是高度依賴于環(huán)境的，沒有簡單的自動解決方案——擁有很好的直覺對于決定隱藏單元數(shù)量是最重要的。
還需要注意
實際上，與其他因素相比，隱藏單元的數(shù)量通常對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能影響很小，而在許多情況下，高估所需隱藏單位的數(shù)量不會使訓(xùn)練變慢。一旦你的網(wǎng)絡(luò)工作了，如果你仍然擔心，只需嘗試很多不同的數(shù)字，并測量準確性，直到找到最適合你的網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的深度学习需要注意的11个方面的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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