第四次作业：猫狗大战挑战赛

一、 fine-tuning

由于数据集的限制，我们可以使用预训练的模型，来重新fine-tuning(微调)。

使用卷积网络作为特征提取器，冻结卷积操作层，这是因为卷积层提取的特征对于许多任务都有用处，使用新的数据集训练新定义的全连接层。

何时以及如何Fine-tune

决定如何使用迁移学习的因素有很多，这是最重要的只有两个：新数据集的大小、以及新数据和原数据集的相似程度。有一点一定记住：网络前几层学到的是通用特征，后面几层学到的是与类别相关的特征。这里有使用的四个场景：

1、新数据集比较小且和原数据集相似。因为新数据集比较小，如果fine-tune可能会过拟合；又因为新旧数据集类似，我们期望他们高层特征类似，可以使用预训练网络当做特征提取器，用提取的特征训练线性分类器。

2、新数据集大且和原数据集相似。因为新数据集足够大，可以fine-tune整个网络。

3、新数据集小且和原数据集不相似。新数据集小，最好不要fine-tune，和原数据集不类似，最好也不使用高层特征。这时可是使用前面层的特征来训练SVM分类器。

4、新数据集大且和原数据集不相似。因为新数据集足够大，可以重新训练。但是实践中fine-tune预训练模型还是有益的。新数据集足够大，可以fine-tine整个网络。

我们这次的作业属于数据集与原来相似而且数据集很小的情况，可以使用预训练网络当做特征提取器，用提取的特征训练线性分类器。

二、代码重点

数据处理

normalize = transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])

vgg_format = transforms.Compose([
                transforms.CenterCrop(224), 
    			#.中心裁剪：transforms.CenterCrop
				#class torchvision.transforms.CenterCrop(size)
				#功能：依据给定的size从中心裁剪
				#参数：
				#size- (sequence or int)，若为sequence,则为(h,w)，若为int，则(size,size)
                transforms.ToTensor(),
                normalize,
            ])

data_dir = './dogscats'

dsets = {x: datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x), vgg_format)
         for x in ['train', 'valid']}

dset_sizes = {x: len(dsets[x]) for x in ['train', 'valid']}
dset_classes = dsets['train'].classes

修改全连接层，冻结卷积层的参数

for param in model_vgg_new.parameters():
    param.requires_grad = False #训练时不更改参数
model_vgg_new.classifier._modules['6'] = nn.Linear(4096, 2) #全连接输出两类猫或者狗
model_vgg_new.classifier._modules['7'] = torch.nn.LogSoftmax(dim = 1) # 数据处理

创建损失函数和优化器，训练模型

criterion = nn.NLLLoss() #设置损失函数

lr = 0.001 # 学习率

optimizer_vgg = torch.optim.SGD(model_vgg_new.classifier[6].parameters(),lr = lr) # 随机梯度下降

#训练模型 （模板 建议直接背诵）
def train_model(model,dataloader,size,epochs=1,optimizer=None):
    model.train()
    
    for epoch in range(epochs):
        running_loss = 0.0
        running_corrects = 0
        count = 0
        for inputs,classes in dataloader:
            inputs = inputs.to(device)
            classes = classes.to(device)
            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs,classes)           
            optimizer = optimizer
            optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            optimizer.step()
            _,preds = torch.max(outputs.data,1)
            # statistics
            running_loss += loss.data.item()
            running_corrects += torch.sum(preds == classes.data)
            count += len(inputs)
            print('Training: No. ', count, ' process ... total: ', size)
        epoch_loss = running_loss / size
        epoch_acc = running_corrects.data.item() / size
        print('Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(
                     epoch_loss, epoch_acc))

三、代码优化

1.数据处理

vgg_format = transforms.Compose([
                #transforms.CenterCrop(224), 
    			transforms.Resize((224,224)),
    #这里选择缩放而不是中心裁剪，因为简单地选择重心裁剪会让图像的一些特征直接丢失，严重的情况下直接无法捕捉到物体（cat or dog）,这样的情况下卷积也没有什么作用了
                transforms.ToTensor(),
                normalize,
            ])

下面的图片就可以看出使用缩放而不是中心裁剪的原因：原本图片的🐱头被截去，很难判断这到底是🐕还是🐱。

2.学习率

learning rate在fine-turning中一般默认为10-3，但是在我的一些玄学甄选后发现0.0012的效果更好一些，所以我们选择lr=0.0012之后进行训练。

lr	10-3	115*10-5	12*10-4
accuracy	0.9645	0.9570	0.9680
听说有函数可以选择到最合适的学习率，但是我没有找到这个函数。

按表格自左到右顺序排列：

3.优化器

在开始的代码中我们选择了SGD作为优化器，但是在多种优化器的测试过后，我发现使用Adam情况下验证集准确率的效果最好。

optimizer	SGD	RMSprop	Adam
accuracy	0.9680	0.9840	0.9880

没有仔细实验的点：

1.SGD函数存在一个函数变量动量（Momentum），选择不同的动量的大小可能也会获得更好的效果，但是没有经过准确的实验。

2.RMSprop的一个参数alpha使用默认值，没有尝试其他数值。

3.Adam函数的一个参数betas使用默认值，没有实验其他的情况。

关于这些常见优化器的介绍：https://www.jianshu.com/p/1a1339c4acd7

4. epoch（批次）

在使用SGD作为优化器时，将批次设置为2后发现验证集的准确率得到了提升。

但是在设置Adam作为优化器后我们同样对不同的epoch分别设置为1和2，结果得到提升很小。

但是实验次数太少，不排除随机梯度下降导致的偶然性影响，默认情况下训练的批次越多，那么得到的模型对于训练的适应性就会越好，往往得到的准确率会更高，但是要注意可能会导致过拟合现象的产生。

而且我们的训练集规模太小，epoch设置1和2的提升并不是很多。

四、其他设想过的道路

1.损失函数的选择

criterion = nn.NLLLoss()

一般的分类任务往往会选择交叉熵损失函数CrossEntropyLoss（）

但是老师这里选择了负对数似然函数NLLLoss()

所以我开始选择使用交叉熵损失函数替换掉负对数似然，但是得到的效果并不好

在查阅资料后我发现NLLLoss和CrossEntropyLoss做的工作很相似，但是有一点区别就是NLLLoss需要配合LogSoftmax，而在源码当中老师选择在全连接层的最后加入了这个函数。

也就是说他们两个接近等价 CrossEntropyLoss = LogSoftmax + NLLLoss

所以我的尝试没有到预期的效果。

2. 冻结不同的参数

在完成对于VGG的最后一层全连接层的训练后，查阅相关资料，我注意到了在Keras中对Resnet的更改，他选择在冻结大部分卷积层的前提下，选择训练最后一层卷积层和全连接层。

理所当然的我设想在VGG中同样采取这样的尝试，但是发现VGG并没有直接提供对于提取特征层(features)处理的方法,所以可能需要模仿构建一个新的VGG?

但是我没有对这一方面进行额外的尝试

3.Dropout

众所周知，Dropout对于处理过拟合有着很好的效果，但是一般情况下Dropout设置为0.5，VGG中也相同，所以没有更改。

五、得分

本地：

研习社：

还有排名：

最后的得分是98.95
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