深入理解预训练（pre-learning）、微调（fine-tuning）、迁移学习（transfer learning）三者的联系与区别-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了深入理解预训练（pre-learning）、微调（fine-tuning）、迁移学习（transfer learning）三者的联系与区别。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1. 什么是预训练和微调

你需要搭建一个网络模型来完成一个特定的图像分类的任务。首先，你需要随机初始化参数，然后开始训练网络，不断调整参数，直到网络的损失越来越小。在训练的过程中，一开始初始化的参数会不断变化。当你觉得结果很满意的时候，你就可以将训练模型的参数保存下来，以便训练好的模型可以在下次执行类似任务时获得较好的结果。这个过程就是 pre-training。
之后，你又接收到一个类似的图像分类的任务。这时候，你可以直接使用之前保存下来的模型的参数来作为这一任务的初始化参数，然后在训练的过程中，依据结果不断进行一些修改。这时候，你使用的就是一个 pre-trained 模型，而过程就是 fine-tuning。

所以，预训练 就是指预先训练的一个模型或者指预先训练模型的过程；微调就是指将预训练过的模型作用于自己的数据集，并使参数适应自己数据集的过程。

1.1 预训练模型

预训练模型就是已经用数据集训练好了的模型。
现在我们常用的预训练模型就是他人用常用模型，比如VGG16/19，Resnet等模型，并用大型数据集来做训练集，比如Imagenet, COCO等训练好的模型参数；
正常情况下，我们常用的VGG16/19等网络已经是他人调试好的优秀网络，我们无需再修改其网络结构。

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2. 预训练和微调的作用

在 CNN 领域中，实际上，很少人自己从头训练一个 CNN 网络。主要原因是自己很小的概率会拥有足够大的数据集，基本是几百或者几千张，不像 ImageNet 有 120 万张图片这样的规模。拥有的数据集不够大，而又想使用很好的模型的话，很容易会造成过拟合。

所以，一般的操作都是在一个大型的数据集上（ImageNet）训练一个模型，然后使用该模型作为类似任务的初始化或者特征提取器。比如 VGG，ResNet 等模型都提供了自己的训练参数，以便人们可以拿来微调。这样既节省了时间和计算资源，又能很快的达到较好的效果。

3. 模型微调

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3.1 微调的四个步骤

在源数据集（例如 ImageNet 数据集）上预训练一个神经网络模型，即源模型。
创建一个新的神经网络模型，即目标模型。它复制了源模型上除了输出层外的所有模型设计及其参数。我们假设这些模型参数包含了源数据集上学习到的知识，且这些知识同样适用于目标数据集。我们还假设源模型的输出层跟源数据集的标签紧密相关，因此在目标模型中不予采用。
为目标模型添加一个输出大小为目标数据集类别个数的输出层，并随机初始化该层的模型参数。
在目标数据集（例如椅子数据集）上训练目标模型。我们将从头训练输出层，而其余层的参数都是基于源模型的参数微调得到的。

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3.2 为什么要微调

卷积神经网络的核心是：

浅层卷积层提取基础特征，比如边缘，轮廓等基础特征。
深层卷积层提取抽象特征，比如整个脸型。
全连接层根据特征组合进行评分分类。

普通预训练模型的特点是：用了大型数据集做训练，已经具备了提取浅层基础特征和深层抽象特征的能力。

如果不做微调的话：

从头开始训练，需要大量的数据，计算时间和计算资源。
存在模型不收敛，参数不够优化，准确率低，模型泛化能力低，容易过拟合等风险。

3.3 什么情况下使用微调

要使用的数据集和预训练模型的数据集相似。如果不太相似，比如你用的预训练的参数是自然景物的图片，你却要做人脸的识别，效果可能就没有那么好了，因为人脸的特征和自然景物的特征提取是不同的，所以相应的参数训练后也是不同的。
自己搭建或者使用的CNN模型正确率太低。
数据集相似，但数据集数量太少。
计算资源太少。

不同数据集下使用微调

数据集1 - 数据量少，但数据相似度非常高 - 在这种情况下，我们所做的只是修改最后几层或最终的softmax图层的输出类别。
数据集2 - 数据量少，数据相似度低 - 在这种情况下，我们可以冻结预训练模型的初始层（比如k层），并再次训练剩余的（n-k）层。由于新数据集的相似度较低，因此根据新数据集对较高层进行重新训练具有重要意义。
数据集3 - 数据量大，数据相似度低 - 在这种情况下，由于我们有一个大的数据集，我们的神经网络训练将会很有效。但是，由于我们的数据与用于训练我们的预训练模型的数据相比有很大不同。使用预训练模型进行的预测不会有效。因此，最好根据你的数据从头开始训练神经网络（Training from scatch）。
数据集4 - 数据量大，数据相似度高 - 这是理想情况。在这种情况下，预训练模型应该是最有效的。使用模型的最好方法是保留模型的体系结构和模型的初始权重。然后，我们可以使用在预先训练的模型中的权重来重新训练该模型。

3.4 微调注意事项

通常的做法是截断预先训练好的网络的最后一层（softmax层），并用与我们自己的问题相关的新的softmax层替换它。例如，ImageNet上预先训练好的网络带有1000个类别的softmax图层。如果我们的任务是对10个类别的分类，则网络的新softmax层将由10个类别组成，而不是1000个类别。然后，我们在网络上运行预先训练的权重。确保执行交叉验证，以便网络能够很好地推广。
使用较小的学习率来训练网络。由于我们预计预先训练的权重相对于随机初始化的权重已经相当不错，我们不想过快地扭曲它们太多。通常的做法是使初始学习率比用于从头开始训练（Training from scratch）的初始学习率小10倍。
如果数据集数量过少，我们进来只训练最后一层，如果数据集数量中等，冻结预训练网络的前几层的权重也是一种常见做法。这是因为前几个图层捕捉了与我们的新问题相关的通用特征，如曲线和边。我们希望保持这些权重不变。相反，我们会让网络专注于学习后续深层中特定于数据集的特征。

4. 迁移学习

迁移学习（Transfer Learning）是机器学习中的一个名词，也可以应用到深度学习领域，是指一种学习对另一种学习的影响，或习得的经验对完成其它活动的影响。迁移广泛存在于各种知识、技能与社会规范的学习中。

通常情况下，迁移学习发生在两个任务之间，这两个任务可以是相似的，也可以是略有不同。在迁移学习中，源任务（Source Task）是已经训练好的模型的来源，目标任务（Target Task）是我们希望在其中应用迁移学习的新任务。

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迁移学习专注于存储已有问题的解决模型，并将其利用在其他不同但相关问题上。比如说，用来辨识汽车的知识（或者是模型）也可以被用来提升识别卡车的能力。计算机领域的迁移学习和心理学常常提到的学习迁移在概念上有一定关系，但是两个领域在学术上的关系非常有限。

4.1 迁移学习的具象理解

从技术上来说，迁移学习只是一种学习的方式，一种基于以前学习的基础上继续学习的方式。但现在大家讲的最多的还是基于神经网络基础之上的迁移学习。这里我们以卷积神经网络（CNN）为例，做一个简单的介绍。

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在CNN中，我们反复的将一张图片的局部区域卷积，减少面积，并提升通道数。

那么卷积神经网络的中间层里面到底有什么？Matthew D. Zeiler和Rob Fergus发表了一篇非常著名的论文，阐述了卷积神经网络到底看到了什么：

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和对卷积层进行简单的成像不同，他们尝试把不同的内容输入到训练好的神经网络，并观察记录卷积核的激活值。并把造成相同卷积核较大激活的内容分组比较。上面的图片中每个九宫格为同一个卷积核对不同图片的聚类。

从上面图片中可以看到，较浅层的卷积层将较为几何抽象的内容归纳到了一起。例如第一层的卷积中，基本就是边缘检测。而在第二层的卷积中，聚类了相似的几何形状，尽管这些几何形状的内容相差甚远。

随着卷积层越来越深，所聚类的内容也越来越具体。例如在第五层里，几乎每个九宫格里都是相同类型的东西。当我们了解这些基础知识后，那么我们有些什么办法可以实现迁移学习？

其实有个最简单易行的方式已经摆在我们面前了：如果我们把卷积神经网络的前n层保留下来，剩下不想要的砍掉怎么样？就像我们可以不需要ct能识别狗，识别猫，但是轮廓的对我们还是很有帮助的。
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