提升分類模型acc(二)：圖像分類技巧實(shí)戰(zhàn)

論文鏈接:https://arxiv.org/abs/1812.01187
R50-vd代碼: https://github.com/FlyEgle/ResNet50vd-pytorch
知乎專欄: https://zhuanlan.zhihu.com/p/409920002

1一、前言

如何提升業(yè)務(wù)分類模型的性能，一直是個(gè)難題，畢竟沒(méi)有99.999%的性能都會(huì)帶來(lái)一定程度的風(fēng)險(xiǎn)，所以很多時(shí)候只能通過(guò)控制閾值來(lái)調(diào)整準(zhǔn)召以達(dá)到想要的效果。本系列主要探究哪些模型trick和數(shù)據(jù)的方法可以大幅度讓你的分類性能更上一層樓，不過(guò)要注意一點(diǎn)的是，tirck不一定是適用于不同的數(shù)據(jù)場(chǎng)景的，但是數(shù)據(jù)處理方法是普適的。

ps: 文章比較長(zhǎng)，不喜歡長(zhǎng)文可以直接跳到結(jié)尾看結(jié)論。

簡(jiǎn)單的回顧一下第一篇文章的結(jié)論: 使用大的batchsize訓(xùn)練會(huì)略微降低acc，可以使用LARS進(jìn)行一定程度的提升，但是需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，對(duì)于業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，使用1k的batchsize比較合適。

2二、實(shí)驗(yàn)配置

• 模型: ResNet50, CMT-tiny
• 數(shù)據(jù): ImageNet1k & 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)
• 環(huán)境: 8xV100

ps: 簡(jiǎn)單的說(shuō)明一下，由于部分實(shí)驗(yàn)是從實(shí)際的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)得到的結(jié)論，所以可能并不是完全適用于別的數(shù)據(jù)集，domain不同對(duì)應(yīng)的方法也不盡相同。

本文只是建議和參考，不能盲目的跟從。imagenet數(shù)據(jù)集的場(chǎng)景大部分是每個(gè)圖片里面都會(huì)包含一個(gè)物體，也就是有主體存在的，筆者這邊的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景很多是理解性的，更加抽象，也更難。

3三、Bag of Tricks

數(shù)據(jù)增強(qiáng)

1. 樸素?cái)?shù)據(jù)增強(qiáng)

通用且常用的數(shù)據(jù)增強(qiáng)有random flip, colorjitter, random crop，基本上可以適用于任意的數(shù)據(jù)集，colorjitter注意一點(diǎn)是一般不給hue賦值。

2. RandAug

AutoAug系列之RandAug，相比autoaug的是和否的搜索策略，randaug通過(guò)概率的方法來(lái)進(jìn)行搜索，對(duì)于大數(shù)據(jù)集的增益更強(qiáng)，遷移能力更好。實(shí)際使用的時(shí)候，直接用搜索好的imagnet的策略即可。

3. mixup & cutmix

mixup和cutmix均在imagenet上有著不錯(cuò)的提升，實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，cutmix相比mixup的通用性更強(qiáng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上mixup幾乎沒(méi)有任何的提升，cutmix會(huì)提高一點(diǎn)點(diǎn)。不過(guò)兩者都會(huì)帶來(lái)訓(xùn)練時(shí)間的開(kāi)銷, 因?yàn)槎紩?huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)單的樣本變難，需要更多的iter次數(shù)來(lái)update，除非0.1%的提升都很重要，不然個(gè)人覺(jué)得收益不高。在物體識(shí)別上，兩者可以一起使用。公式如下：

4. gaussianblur和gray這些方法，除非是數(shù)據(jù)集有這樣的數(shù)據(jù)，不然實(shí)際意義不大，用不用都沒(méi)啥影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

• 20% imagenet數(shù)據(jù)集 & CMT-tiny

• 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上(ResNet50) autoaug&randaug沒(méi)有任何的提升(主要問(wèn)題還是domain不同，搜出來(lái)的不適用)，cutmix提升很小(適用于物體而不是理解)。

學(xué)習(xí)率衰減

1. warmup 深度學(xué)習(xí)更新權(quán)重的計(jì)算公式為，如果bs過(guò)大，lr保持不變，會(huì)導(dǎo)致Weights更新的次數(shù)相對(duì)變少，最終的精度不高。

要調(diào)整lr隨著bs線性增加而增加，但是lr變大，會(huì)導(dǎo)致W更新過(guò)快，最終都接近于0，出現(xiàn)nan。

所以需要warmup，在訓(xùn)練前幾個(gè)epoch，按很小的概率線性增長(zhǎng)為初始的LR后再進(jìn)行LRdecay。

2. LRdecay

筆者常用的LR decay方法一般是Step Decay，按照epoch或者iter的范圍來(lái)進(jìn)行線性衰減，對(duì)于SGD等優(yōu)化器來(lái)說(shuō)，效果穩(wěn)定，精度高。

進(jìn)一步提升精度，可以使用CosineDecay，但是需要更長(zhǎng)的訓(xùn)練周期。

CosineDecay公式如下:

如果不計(jì)較訓(xùn)練時(shí)間，可以使用更暴力的方法，余弦退火算法(Cosine Annealing Decay), 公式如下:

這里的表示的是重啟的序號(hào)，表示學(xué)習(xí)率，表示當(dāng)前的epoch。

退火方法常用于圖像復(fù)原等用于L1損失的算法，有著不錯(cuò)的性能表現(xiàn)。

個(gè)人常用的方法就是cosinedecay，比較喜歡最后的acc曲線像一條"穿天猴", 不過(guò)要相對(duì)多訓(xùn)練幾k個(gè)iter，cosinedecay在最后的acc上升的比較快，前期的會(huì)比較緩慢。

跨卡同步bn&梯度累加

這兩個(gè)方法均是針對(duì)卡的顯存比較小，batchsize小(batchszie總數(shù)小于32)的情況。

1. SyncBN

雖然筆者在訓(xùn)練的時(shí)候采用的是ddp，實(shí)際上就是數(shù)據(jù)并行訓(xùn)練，每個(gè)卡的batchnorm只會(huì)更新自己的數(shù)據(jù)，那么實(shí)際上得到的running_mean和running_std只是局部的而不是全局的。

如果bs比較大，那么可以認(rèn)為局部和全局的是同分布的，如果bs比較小，那么會(huì)存在偏差。

所以需要SyncBN同步一下mean和std以及后向的更新。

2. GradAccumulate

   梯度累加和同步BN機(jī)制并不相同，也并不沖突，同步BN可以用于任意的bs情況，只是大的bs下沒(méi)必要用。

   跨卡bn則是為了解決小bs的問(wèn)題所帶來(lái)的性能問(wèn)題，通過(guò)loss.backward的累加梯度來(lái)達(dá)到增大bs的效果，由于bn的存在只能近似不是完全等價(jià)。代碼如下:

  for idx, (images, target) in enumerate(train_loader):
  images = images.cuda()
  target = target.cuda()
  outputs = model(images)
  losses = criterion(outputs, target)

loss = loss/accumulation_steps
loss.backward()
if((i+1)%accumulation_steps) == 0:
optimizer.step()
optimizer.zero_grad()

```backward```是bp以及保存梯度，```optimizer.step```是更新weights，由于accumulation_steps，所以需要增加訓(xùn)練的迭代次數(shù)，也就是相應(yīng)的訓(xùn)練更多的epoch。

標(biāo)簽平滑

LabelSmooth目前應(yīng)該算是最通用的技術(shù)了

優(yōu)點(diǎn)如下:

• 可以緩解訓(xùn)練數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤標(biāo)簽的影響；
• 防止模型過(guò)于自信，充當(dāng)正則，提升泛化性。

但是有個(gè)缺點(diǎn)，使用LS后，輸出的概率值會(huì)偏小一些，這會(huì)使得如果需要考慮recall和precision，卡閾值需要更加精細(xì)。

代碼如下:

class LabelSmoothingCrossEntropy(nn.Module):
    """
    NLL loss with label smoothing.
    """
    def __init__(self, smoothing=0.1):
        """
        Constructor for the LabelSmoothing module.
        :param smoothing: label smoothing factor
        """
        super(LabelSmoothingCrossEntropy, self).__init__()
        assert smoothing < 1.0
        self.smoothing = smoothing
        self.confidence = 1. - smoothing

    def forward(self, x, target):
        logprobs = F.log_softmax(x, dim=-1)
        nll_loss = -logprobs.gather(dim=-1, index=target.unsqueeze(1))
        nll_loss = nll_loss.squeeze(1)
        smooth_loss = -logprobs.mean(dim=-1)
        loss = self.confidence * nll_loss + self.smoothing * smooth_loss
        return loss.mean()

4四、ResNet50-vd

ResNet50vd是由張航等人所提出的，相比于ResNet50，改進(jìn)點(diǎn)如下：

1. 頭部的conv7x7改進(jìn)為3個(gè)conv3x3,直接使用7x7會(huì)損失比較多的信息，用多個(gè)3x3來(lái)緩解。
2. 每個(gè)stage的downsample，由(1x1 s2)->(3x3)->(1x1)修改為(1x1)->(3x3 s2)->(1x1), 同時(shí)修改shortcut從(1x1 s2)為avgpool(2) + (1x1)。1x1+s2會(huì)造成信息損失，所以用3x3和avgpool來(lái)緩解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

上面的精度是筆者自己跑出來(lái)的比paper中的要低一些，不過(guò)paper里面用了蒸餾，相比于R50，提升了將近2個(gè)點(diǎn)，推理速度和FLOPs幾乎沒(méi)有影響，所以直接用這個(gè)來(lái)替換R50了，個(gè)人感覺(jué)還算不錯(cuò)，最近的業(yè)務(wù)模型都在用這個(gè)。

代碼和權(quán)重在git上，可以自行取用，ResNet50vd-pytorch。

5五、結(jié)論

• LabelSmooth, CosineLR都可以用做是通用trick不依賴數(shù)據(jù)場(chǎng)景。
• Mixup&cutmix，對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)景有一定的依賴性，需要多次實(shí)驗(yàn)。
• AutoAug，如果有能力去搜的話，就不用看筆者寫(xiě)的了，用就vans了。不具備搜的條件的話，如果domain和imagenet相差很多，那考慮用一下randaug，如果沒(méi)效果，autoaug這個(gè)系列可以放棄。
• bs比較小的情況，可以試試Sycnbn和梯度累加，要適當(dāng)?shù)脑黾拥螖?shù)。

6六、結(jié)束語(yǔ)

本文是提升分類模型acc系列的第二篇，后續(xù)會(huì)講解一些通用的trick和數(shù)據(jù)處理的方法，敬請(qǐng)關(guān)注。

E N D