【提分trick】SWA(随机权重平均)和EMA(指数移动平均)

1. SWA随机权重平均

 1.1步骤

1.2代码

2.EMA指数移动平均

2.1步骤

2.2代码

 3.总结


在kaggle比赛中,不管是目标检测任务、语义分割任务中,经常能看到SWA(Stochastic Weight Averaging)和EMA(Exponential Moving Average)的身影,今天就来一起学习下。

1. SWA随机权重平均

SWA随机权重平均:在优化的末期取k个优化轨迹上的checkpoints,平均他们的权重,得到最终的网络权重,这样就会使得最终的权重位于flat曲面更中心的位置,缓解权重震荡问题,获得一个更加平滑的解,相比于传统训练有更泛化的解。

【提分trick】SWA(随机权重平均)和EMA(指数移动平均)_第1张图片

 1.1步骤

1.给定超参数:

  • 循环周期c,代表训练c步就使用SWA进行一次权重平均
  • 学习率 α1,α2 ,即周期学习率的上界和下界,论文的实验使用的周期性学习率如下图

2.然后,按照正常的SGD标准流程进行训练,每训练c步,就平均一次权重

3.最后,使用平均的权重 wSWA 权重进行推理。

1.2代码

import torch
import torch.nn as nn


def apply_swa(model: nn.Module,
              checkpoint_list: list,
              weight_list: list,
              strict: bool = True):
    """

    :param model:
    :param checkpoint_list: 要进行swa的模型路径列表
    :param weight_list: 每个模型对应的权重
    :param strict: 输入模型权重与checkpoint是否需要完全匹配
    :return:
    """

    checkpoint_tensor_list = [torch.load(f, map_location='cpu') for f in checkpoint_list]

    for name, param in model.named_parameters():
        try:
            param.data = sum([ckpt['model'][name] * w for ckpt, w in zip(checkpoint_tensor_list, weight_list)])
        except KeyError:
            if strict:
                raise KeyError(f"Can't match '{name}' from checkpoint")
            else:
                print(f"Can't match '{name}' from checkpoint")

    return model

2.EMA指数移动平均

EMA指数移动平均:shadow权重是通过历史的模型权重指数加权平均数来累积的,每次shadow权重的更新都会受上一次shadow权重的影响,所以shadow权重的更新都会带有前几次模型权重的惯性,历史权重越久远,其重要性就越小,这样可以使得权重更新更加平滑。

  •  w_{shadow}为EMA权重,也被称为影子权重;
  • \alpha为衰退率,一般为0.999或0.9999;
  • w为模型权重

从上述公式来看,shadow权重的更新大部分由累积的权重决定,小部分由当前权重决定。 

2.1步骤

  1. 创建EMA平滑的shadow权重(对应EMA对象初始化和register方法)
  2. 按照正常的训练流程,反向传播更新模型权重
  3. 更新模型权重之后,再执行EMA平滑,更新shadow权重(对应update方法)
  4. 重复2-3步,直到valid阶段
  5. 备份模型权重,加载shadow权重,使用shadow权重进行模型的valid工作(对应apply_shadow方法)
  6. 使用shadow权重作为模型权重,保存模型
  7. 恢复模型权重(对应restore方法),继续重复以上步骤2-7。

2.2代码

import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils.data import DataLoader


class EMA:
    def __init__(self, model: nn.Module,
                 decay: float = 0.999):
        self.model = model
        self.decay = decay
        self.shadow = {}
        self.backup = {}

    def register(self):
        """创建shadow权重"""
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                self.shadow[name] = param.data.clone()

    def update(self):
        """EMA平滑操作,更新shadow权重"""
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.shadow
                new_average = (1.0 - self.decay) * param.data + self.decay * self.shadow[name]
                self.shadow[name] = new_average.clone()

    def apply_shadow(self):
        """使用shadow权重作为模型权重,并创建原模型权重备份"""
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.shadow
                self.backup[name] = param.data
                param.data = self.shadow[name]

    def restore(self):
        """恢复模型权重"""
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.backup
                param.data = self.backup[name]
        self.backup = {}

 3.总结

  1. EMA需要在每步训练时,同步更新shadow权重,但其计算量与模型的反向传播相比,成本很小,因此实际上并不会拖慢很对模型的训练进度;
  2. SWA可以在训练结束,进行手动加权,完全不增加额外的训练成本;
  3. 实际使用两者可以配合使用,可以带来一点模型性能提升。

整理不易,欢迎一键三连!!! 

你可能感兴趣的:(基本知识,深度学习,python,SWA,EMA)