预训练模型迁移学习（Transfer Learning）

1、迁移学习

迁移学习在计算机视觉领域中是一种很流行的方法，因为它可以建立精确的模型，耗时更短。利用迁移学习，不是从零开始学习，而是从之前解决各种问题时学到的模式开始。这样，你就可以利用以前的学习成果(例如VGG、 Inception、MobileNet)，避免从零开始。我们把它看作是站在巨人的肩膀上。

在计算机视觉领域中，迁移学习通常是通过使用预训练模型来表示的。预训练模型是在大型基准数据集上训练的模型，用于解决相似的问题。由于训练这种模型的计算成本较高，因此，导入已发布的成果并使用相应的模型是比较常见的做法。

2、卷积神经网络（CNN）

在迁移学习中，常用的几个预训练模型是基于大规模卷积神经网络。一般来说，CNN被证明擅长于解决计算机视觉方面的问题。它的高性能和易训练的特点是最近几年CNN流行的两个主要原因。

典型的CNN包括两个部分:

（1）卷积基，由卷积层和池化层的堆栈组成。卷积基的主要目的是由图像生成特征。

（2）分类器，通常是由多个全连接层组成的。分类器的主要目标是基于检测到的特征对图像进行分类。全连接层是其中的神经元与前一层中的所有激活神经元完全连接的层。

下图显示了一个基于CNN的模型体系结构。这是一个简化的版本，事实上，这种类型的模型，其实际的体系结构比我们在这里说的要复杂得多。

这些深度学习模型的一个重要方面是，它们可以自动学习分层的特征表示。这意味着由第一层计算的特征是通用的，并且可以在不同的问题域中重用，而由最后一层计算的特征是较特殊的，并且依赖于所选择的数据集和任务。根据Yosinski等人在2014年提出的“如果第一层的特征是通用的并且最后一层的特征是特殊的，那么网络中必定有一个从一般到特殊的转变。因此，我们的CNN的卷积基特别是它下面的层（那些更接近输入的层）适用于一般特征，而分类器部分和卷积基中一些较高的层适用于特殊的特征。

3、预训练模型的复用

当你根据自己的需要重用预训练模型时，首先要删除原始的分类器，然后添加一个适合的新分类器，最后必须根据以下的三种策略之一对模型进行微调：

（1）训练整个模型 在这种情况下，利用预训练模型的体系结构，并根据数据集对其进行训练。如果你从零开始学习模型，那么就需要一个大数据集，和大量的计算资源。

（2）训练一些层而冻结其它的层较低层适用的是通用特征（独立问题），而较高层适用的是特殊特征。这里，我们通过选择要调整的网络的权重来处理这两种情况。通常，如果有一个较小的数据集和大量的参数，你会冻结更多的层，以避免过度拟合。相比之下，如果数据集很大，并且参数的数量很少，那么可以通过给新任务训练更多的层来完善模型，因为过度拟合不是问题了。

（3）冻结卷积基这种情况适用于训练/冻结平衡的极端情况。其主要思想是将卷积基保持在原始形式，然后使用其输出提供给分类器。把你正在使用的预训练模型作为固定的特征提取途径，如果缺少计算资源，并且数据集很小，或者预训练模型解决了你正要解决的问题，那么这就很有用。

图2以图表的形式说明了这三种策略。

与策略3的这种直接简单的应用不同，策略1和策略2要求你小心谨慎地应对卷积部分中使用的学习率。学习率是一个超参数，它控制你调整网络权重的大小。当你正在使用基于CNN的预训练模型时，使用一个低学习率是比较明智的，因为使用高学习率会增加失去之前所积累知识的风险。假设预训练模型经过了比较好的训练，保持低学习率将确保你不会过早和过度地调整CNN权重。

4、迁移学习过程

从实践的角度来看, 整个迁移学习过程可以概括如下:

1. 选择预训练模型 从大量的预训练模型，可以选择一个适合你要解决的问题的。如果你正在使用Tensorflow2.x，你可以在tf.keras.applications下立即使用一系列模型，例如VGG、InceptionV3和ResNet5。

2. 根据大小相似性矩阵进行分类 在下图中你用矩阵来控制选择，这个矩阵是根据数据集的大小，以及预训练模型被训练之后的数据集的相似性，来对计算机视觉问题进行分类的。根据经验，如果每个类的图像少于1000个，则认为是小数据集。就数据集的相似性而言，常识占了上风。例如，如果是识别猫和狗，那么ImageNet将是一个类似的数据集，因为它有猫和狗的图像。然而，如果是识别癌细胞，ImageNet就不行了。

3. 微调模型 这里可以使用大小和相似性矩阵来指导你的选择，然后参考前面提到的重用预训练模型的三个策略。见下图。

   

• 象限1 大数据集，但不同于预训练模型的数据集。这种情况将会让你使用策略1。因为有一个大数据集，你就可以从零开始训练一个模型。尽管数据集不同，但在实践中，利用模型的体系结构和权重，通过预训练模型对初始化模型仍然是很有帮助的；

• 象限2 大数据集与类似于预训练模型的数据集。在这里任何选项都有效，可能最有效的是策略2。由于我们有一个大数据集，过度拟合不应该是个问题，所以我们可以尽可能多地学习。然而，由于数据集是相似的，我们可以通过利用以前的知识来节省大量的训练工作。因此，仅对卷积基的分类器和顶层进行训练就足够了。

• 象限3 小数据集，不同于预训练模型的数据集，这里唯一适合的就是策略2。很难在训练和冻结的层数之间平衡。如果你涉及的太深入，那么模型就会过度拟合；如果你仅停留在模型的表面，那么你就不会学到任何有用的东西。也许，你需要比象限2更深入，并且需要考虑数据增强技术。

• 象限4 小数据集，但类似于预训练模型的数据集。你只需删除最后一个全连接层（输出层），并且执行预训练模型作为固定的特征提取器，然后使用结果特征来训练新的分类器。