TensorFlow：卷积神经网络手势识别项目的调参感悟

调参感悟

对于网络的选择，我采用通用的由简入繁的做法（在吴恩达的课程中，他也多次表达了这类思想）。

• 首先，尝试了简单网络LeNet-5，由于网络的设计原因，对于5分类测试集上的表现非常糟糕（过拟合）。

• 其次，尝试复杂一些的AlexNet。经过调参和优化环节，最终取得了不错的成绩。

调参的过程无非是解决两个问题，欠拟合和过拟合。因为这个五分类问题的复杂度低，因此自始至终，我们面临的都是过拟合。

解决过拟合

第一次尝试：LeNet-5

一开始每种手势动作只拍摄了500张，用的是LeNet-5结构，训练集的accuracy很高，loss也很高，测试集的效果很明显差到爆炸。

• 这是明显的过拟合，考虑到LeNet-5中无Dropout，使用tanh非ReLu，也是可以理解的

• 此外，数据量也是可以再增加以便缓解过拟合

第二次尝试：AlexNet + SAME Pooling

出于上述原因，因此决定试试经典的AlexNet结构（卷积层数和池化层数为AlexNet结构，池化方式选择SAME），在两个全连接层加入droupout = 0.5，防止过拟合。Batch size设置为256以加快训练速度，这样可以更快看到结果。

                               ​

 

虽然测试集的accuracy已经比LeNet-5提升很多，接近63%，但很明显依然过拟合。后发现Pooling的方式对过拟合亦有影响。

第三次尝试：AlexNet + VALID Pooling

相对于SAME池化方式，VALID方式会输入周围更少的特征，对减少过拟合肯定是有帮助的，于是尝试VALID。

                                    

预测集的正确率提高了10%，但是肯定还有很大的提高空间，而且很明显还是过拟合。

解决过拟合的最直接的方式是增加数据集和减小模型参数，例如之前猫狗分类问题是各12500张。

第四次尝试：AlexNet + VALID Pooling + 调整Batch Size

再加数据之前，我先再调大了batch size = 512，看看batch size对结果的影响：

                                           

​如图，作用并不是很明显，而且无法再加大batch size，会爆显存。于是按此前计划开始增加数据集。

第五次尝试：AlexNet + VALID Pooling + 增加数据集

增加数据集（每个手势+100）

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​增加数据集（每个手势再+200）

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每种手势增加300张图片后，我发现测试集的正确率突然飙升上了90%。

增加数据集（每个手势再 +100）

                ​

 

这个时候测试集的正确率算看得过去了，此时训练集是每种手势900张，一共4500张图片。

在线测试中，发现5种手势有4种识别的还可以，但是Good手势识别经常错误，于是单独给Good手势增加150张图片。

增加数据集（只给Good手势再 +150）

                                                ​

增加数据集（每个手势再 +100）

正确率有微弱提升，然后再每种手势+100照片，正确率不再提升了。

现在的正确率虽然可以接受了，但实时测试的效果并不是很理想。可能是因为测试集比实时测试的时候背景干净，噪声更小，为了更好的检验模型，我在测试集上除了输出正确率还输出损失。

​                                               

​损失率达到了0.77难怪我的实时测试消息并不理想。

第六次尝试：AlexNet + VALID Pooling + 大数据集 + 数据预处理

解决思路是从数据集入手，检测自己拍的数据集，把一些拍的不好的数据删除替换，并把实时检测的图片大小由400x400 切割变化为300x300，从而突出手势动作，而忽略其他背景干扰。

同时增加数据集的300x300的手势动作图片，使训练集前4种手势各有1300张照片，Good手势有1450张照片。（切割出感兴趣区域提高识别准确率）

                                               

 

第七次尝试：AlexNet + VALID Pooling + 大数据集 + 数据预处理 + 小Mini-Batch

想起此前Yann LeCun（2019年获得图灵奖获得者）的一个言论：

Training with large minibatches is bad for your health. More importantly, it's bad for your test error. Friends don‘t let friends use minibatches larger than 32. Let's face it: the only people have switched to minibatch sizes larger than one since 2012 is because GPUs are inefficient for batch sizes smaller than 32. That's a terrible reason. It just means our hardware sucks.

他认为大于32的batch-size都是深恶痛绝的。

The best performance has been consistently obtained for mini-batch sizes between m=2 and m=32, which contrasts with recent work advocating the use of mini-batch sizes in the thousands.

也就是最好的实验表现都是在batch size处于 2 ~ 32 之间得到的，这和最近深度学习界论文中习惯的动辄上千的batch size选取有很大的出入。

尝试于是调小Batch Size为32。测试集准确率已接近96%。对于实时测试，手势基本都能识别对了，达到了应用的目标！

                                               ​

 

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一些调参过程的图

（极端情形）

Step=step*20

只改动：把Batch-size =32

 

一些Batch选择观点

下属观点来源知乎。

回想我们使用mini-batch技术的原因，无外乎是因为mini-batch有这几个好处 ：

• 提高了运行效率，相比batch-GD的每个epoch只更新一次参数，使用mini-batch可以在一个epoch中多次更新参数，加速收敛。

• 解决了某些任务中，训练集过大，无法一次性读入内存的问题。

• 虽然第一点是mini-batch提出的最初始的原因，但是后来人们发现，使用mini-batch还有个好处，即每次更新时由于没有使用全量数据而仅仅使用batch内数据，从而人为给训练带来了噪声，而这个操作却往往能够带领算法走出局部最优（鞍点）。理论证明参见COLT的这篇论文Escaping From Saddle Points-Online Stochastic Gradient for Tensor Decomposition。也就是说，曾经我们使用mini-batch主要是为了加快收敛和节省内存，同时也带来每次更新有些“不准”的副作用，但是现在的观点来看，这些“副作用”反而对我们的训练有着更多的增益，也变成mini-batch技术最主要的优点。

但是，Batch size的选择需要考虑如下的trade-off：

• 小Batch训练的稳定性较差。小batch确实有这个缺点，而且对设置学习速率有更高的要求，否则可能引起恶性的震荡无法收敛。但是小batch的优点仍然是显著的。

• Batch size 可能也不是越大越好，ICLR 2017 On Large-Batch Training for Deep Learning: Generalization Gap and Sharp Minima 比较了一直用small batch（实验设置的256，貌似也不小了...）和一直用large batch（整个数据集十分之一...）训练，最后发现同样训练到最终收敛，在多个数据集上large batch比small batch泛化能力差。

• 前期用小batch引入噪声，有利于跳出sharp minima，后期用大batch避免震荡，同样目的也可以通过调小lrate做到，同比例地增大batch size和同比例地减小lrate能得到极相近的loss-epoch曲线，不过前者update次数会少很多~（Don't Decay the Learning Rate, Increase the Batch Size）