迁移学习花式Finetune方法大汇总

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迁移学习广泛地应用于NLP、CV等各种领域，通过在源域数据上学习知识，再迁移到下游其他目标任务上，提升目标任务上的效果。其中，Pretrain-Finetune（预训练+精调）模式是最为常见的一种迁移学习方法。例如NLP中的预训练Bert模型，通过在下游任务上Finetune即可取得比直接使用下游数据任务从零训练的效果要好得多。

虽然在预训练模型上Finetune能取得非常好的效果，我们经常使用Finetune方法，但是你是否有想过这种Finetune方法有没有什么优化方法？如何Finetune对最终效果好坏有非常大的影响。例如，在Finetune时我们会考虑要迁移预训练网络的哪些层，哪些层需要冻结，哪些层需要随着模型一起Finetune。实际应用时，我们往往需要尝试不同的迁移方法和Finetune策略来达到最优效果。目前学术界也有很多创新性较强的花式Finetune方法研究。本文介绍了来自2018年以来ICML、CVPR等顶会的7篇论文，总结了Finetune的四种类型招式，通过更科学的Finetune方式，提升迁移学习效果。

1. 招式1：使用Pretrain模型做约束

在Finetune阶段，如果我们可用于Finetune的目标任务数据量较少时，很有可能出现过拟合现象，严重影响模型效果；或者在Finetune过程中出现知识遗忘问题（catastrophic memory），把Pretrain阶段学到的有用知识遗忘，丢了西瓜捡了芝麻。为了解决这种问题，学术界提出利用Pretrain模型作为约束，指导Finetune的过程，让Finetune得到的模型更加鲁棒。具体包括：直接使用Pretrain模型的参数作为约束、使用Pretrain模型的中间层表示作为约束、使用Pretrain模型对不同特征注意力强度作为约束。

为了防止模型在Finetune阶段过拟合目标任务数据，或忘记了Pretrain阶段学到的有意义知识，Explicit inductive bias for transfer learning with convolutional networks（ICML 2018）这篇文章介绍了一种使用Pretrain模型参数约束Finetune过程的方法：通过添加Pretrain模型参数和Finetune模型参数之间的某种正则化损失，让Finetune后的模型参数和最开始的Pretrain模型参数更加相似。文章中尝试了多种正则化方法，通过最终的实验发现，一个简单的L2正则效果最好，即对于Pretrain模型和Finetune模型的对应层的参数计算L2距离，作为Finetune过程中损失函数的一部分，公式如下（w为Finetune参数，w0位Pretrain参数）：

通过L2正则化的方法拉近Pretrain模型和Target模型参数也存在一定问题，如何设定正则化的强度直接决定了迁移效果，正则化太弱仍然会导致过拟合和信息遗忘，迁移强度太强会导致Finetune的模型在Target任务上不是最优解。百度的文章DELTA: DEEP LEARNING TRANSFER USING FEATURE MAP WITH ATTENTION FOR CONVOLUTIONAL NET- WORKS（ICLR 2019）提出，通过约束网络的behavior，即feature map，而非模型参数，来实现约束目标。具体的，约束项可以表示为如下形式：

其中，Wj表示第j个卷积层的约束强度，FM表示第i个样本经过参数w提取的feaure map。Wj的计算方法为，使用Pretrain的模型Freeze住底层Feature Extractor参数，Finetune后面Discriminator参数，通过衡量去掉每个channel后效果的损失，的到这个channel的迁移强度。如果去掉Pretrain模型某个channel后效果下降特别明显，说明Pretrain得到的这个channel的信息对Target任务是很有效的，这个时候要增大这种channel参数的迁移强度。

采用Pretrain模型对Finetune模型进行约束需要引入额外的正则化Loss，可以被称为Transfer Loss。由于Transfer Loss和Target Task Loss的优化目标不同，如何平衡两个Loss的关系决定了迁移效果。为了统一这两种Loss，Robust Knowledge Transfer via Hybrid Forward on the Teacher-Student Model（AAAI 2021）提出了一种混合前向网络。当一个样本输入时，会通过三种不同的路径得到三种Loss，Loss1和Loss2通过交替进入Student网络（Target Task模型）某层和Teachder网络（Pretrain模型）某层，最终再通过Target Task Head得到；Loss3只进入Student网络通过Target Task Head得到。Loss1和Loss2代表了Student网络和Teachder网络Transfer Loss，Loss3代表了Target Task的优化Loss。与之前方法相比，该方法的三个Loss都是以优化Target Task为目标的，因此可以通过直接对比来判断目前的Transfer强度是否太强。文中设计了一种简单的平衡Transfer Loss和Target Loss的方法，让两个任务的Loss同等重要，随着训练过程动态计算Loss1和Loss2的权重。

2. 招式2：选择性地对Pretrain模型迁移

Pretrain模型中的参数不一定都是对下游任务有帮助的，因此一些研究提出，对Pretrain的模型进行有选择性的迁移，重点迁移那些对下游任务帮助大的信息。Learning What and Where to Transfer（ICML 2019）中提出一种基于meta-learning的迁移学习方法。这篇文章的核心思路建立在FITNETS: HINTS FOR THIN DEEP NETS（ICLR 2015）一文提出的迁移方法之上，让Target模型通过一个回归任务拟合Pretrain模型中间层的表示，该优化目标可以表示为：

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在FitNet中WGuided和WHint分别表示Target模型的Pretrain模型某一对应层的参数。Learning What and Where to Transfer（ICML 2019）对该方法进行了扩展。在What to transfer阶段，对每一个channel的迁移做一个权重学习，每个channel的权重是通过一个单独的网络输入图片在Source模型的输出计算得到的（T代表Target模型，S代表Source模型，与FitNet中的Guided和Hint相对应）：

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在Where to transfer阶段，主要决定Source模型到Target模型的迁移层pair，即Source模型的第i层参数要迁移到Target模型的哪一层。类似What to transfer，通过一个单独的网络学习(i,j)这组Source模型到Target模型pair对的迁移强度：

最终的Loss由上面两个阶段的Loss，以及任务本身的Loss共同组成。在训练阶段，文章采用了Meta-learning的方法，内循环阶段更新总体Loss，外循环阶段更新三个Loss的总和。Meta-learning原理可以参考历史文章Meta-learning核心思想及近年顶会3个优化方向。

3. 招式3：在Finetune阶段调整网络结构

之前介绍的迁移学习方法，大多数都是通过Finetune对Pretrain模型的参数进行调整。然而，下游的Target任务可能需要和Source任务采用不同的模型结构来更好的进行学习。因此，TransTailor: Pruning the Pre-trained Model for Improved Transfer Learning（AAAI 2021）提出了一种在Finetune阶段动态剪枝的方法，实现Finetune阶段不仅能够调整模型参数，还能调整模型网络结构。该方法分为Target-aware Pruning和Importance-aware Finetuning两个阶段。在Target-aware Pruning阶段，对于网络中每一层的每一个filter，都对应一个可学习的权重，把Pretrain模型的参数Freeze住，使用Target任务的数据和优化目标进行训练，得到每组参数最终对应的权重，训练过程可以表示为：

这个重要性权重会使用泰勒变换，融合全局各层的打分结果得到全局的打分，最后将打分较低的网络参数剪枝掉。在Importance-aware Finetuning，会结合第一阶段得到的参数打分进行Finetune，具体的，通过将每组参数的打分结果乘到参数上，的到参数的转换结果进行前向传播。最终两个过程交替进行，直到得到最终模型。

4. 招式4：学习每组参数Transfer的方式

在利用Pretrain模型进行迁移学习时，我们往往需要决定哪些网络的参数要Freeze，哪些网络参数跟随Target任务Finetune。例如，在CV领域，一些研究表明底层网络能够提取出更一般的图像规律，而接近分类层的参数对于不同Task差异很大，因此为了不将Pretrain阶段学到的知识破坏，将底层参数Freeze，只Finetune上层参数，会最大限度保留Pretrain阶段在大量数据学到的知识，提升迁移学习效果。然而，不同任务需要Freeze的参数存在差异，人工调试不同的Transfer方式（哪些层Freeze、哪些层Finetune）效率很低。同时，一般的Finetune假设每个Target样本都应该使用相同的Finetune方式，这也是不合理的。例如，和source domain更相似的样本，从source domain迁移更多知识更有帮助。因此，学术界出现一些相关工作，自动化学习每层以及每个样本的迁移策略。

在SpotTune: Transfer Learning through Adaptive Fine-tuning（CVPR 2019）这篇文章中，提出了对于每个样本学习一个个性化的迁移方式。对于每个样本，经过网络的每层可以选择是使用Pretrain模型的原始参数，还是使用Pretrain模型初始化后Finetune的参数。模型通过一个Policy Network，输入每个样本的特征（一般使用Pretrain模型对样本的表征向量），输出模型每组参数的迁移方式（使用Pretrain模型原始参数，或使用Pretrain模型初始化后Finetune的参数）。这个过程中需要对两种迁移方式进行采样，而采样运算不可导。为了让该运算可导，本文使用了Gumbel-Max Trick生成采样结果。SpotTune的模型结构如下图所示：

SpotTune实现了每个样本个性化的Finetune策略学习，但是只能做到layer维度。AdaFilter: Adaptive Filter Fine-tuning for Deep Transfer Learning（AAAI 2020）提出了能够在filter维度实现每个样本的Finetune策略学习。与SpotTune类似，Finetune策略仍然为使用Pretrain模型的原始参数，或使用Pretrain模型初始化后Finetune的参数两种。与SpotTune不同的是，AdaFilter使用RNN学习每层各个channel的Finetune策略，每层的Finetune策略选择依赖于上一层输出的表示（SpotTune则是根据样本同时产出所有层的Finetune策略）。

5. 总结

本文介绍了7篇顶会论文中对Finetune阶段进行的改进，包括Finetune过程使用Pretrain模型做约束、选择性地对Pretrain模型进行迁移、在Finetune阶段调整网络结构以及学习每组参数Transfer的方式4种类型。Pretrain-Finetune的核心问题在于，如何考虑到Target Task的样本特性，将Pretrain的知识合理迁移到Target Task的模型上。其中每个样本个性化地进行Finetune策略学习，可能是后续可以继续深入研究的方向。

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