从代码学习深度学习 - 微调 PyTorch 版

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前言

深度学习模型训练通常需要大量数据，但在实际应用中，我们往往难以获得足够的标记数据。例如，如果我们想构建一个识别不同类型椅子的系统，收集和标记数千甚至数万张椅子图像将耗费大量时间和资金。这种情况下，迁移学习特别是微调（fine-tuning）技术便显示出其强大优势。本文将通过一个热狗识别的实际案例，详细讲解如何在PyTorch中实现微调，帮助读者掌握这一重要技术。注意，本博客只列出了与微调相关的代码，完整代码在下方链接中给出，其中包含了详细的注释。

完整代码:下载链接

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一、迁移学习与微调概念

迁移学习是指将从一个任务中学到的知识应用到另一个相关任务中。在计算机视觉领域，我们常常利用在大规模数据集（如ImageNet）上预训练的模型，将其"迁移"到我们的特定任务中。

微调是迁移学习的一种常见方法，它不仅复用预训练模型的架构，还复用其参数，然后通过在目标数据集上继续训练来调整这些参数，使模型适应新任务。这种方法的核心假设是：预训练模型已经学到了通用的特征提取能力，只需要针对新任务做适度调整。

二、微调步骤解析

微调通常包含以下四个关键步骤：

1. 预训练模型选择：在源数据集（如ImageNet）上训练一个基础模型
2. 模型结构调整：复制预训练模型的架构和参数（除输出层外）
3. 输出层替换：添加适合目标任务的新输出层，并随机初始化其参数
4. 差异化训练：在目标数据集上训练模型，通常对预训练层使用较小学习率，对新添加层使用较大学习率
   

三、实战案例：热狗识别

3.1 数据集准备

首先，我们加载并查看热狗识别的数据集：

# 设置matplotlib在Jupyter Notebook中内嵌显示图表
%matplotlib inline
# 导入必要的库
import os  # 用于处理文件路径
import torch  # PyTorch深度学习框架
import torchvision  # PyTorch视觉库，用于处理图像数据
from torch import nn  # PyTorch神经网络模块
# 导入自定义工具函数，用于显示图像
import utils_for_huitu
# 设置数据目录路径
data_dir = 'hotdog'  # 数据根目录
# 加载训练集图像
# ImageFolder假设数据按类别存放在不同文件夹中
# 文件结构应为：hotdog/train/[类别1]/, hotdog/train/[类别2]/ 等
train_imgs = torchvision.datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, 'train'))
# 加载测试集图像
test_imgs = torchvision.datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, 'test'))
# 获取训练集中的热狗图像样本
# 从训练集的前8张图像中获取图像数据
# train_imgs[i][0]表示第i个样本的图像数据，train_imgs[i][1]是对应的标签
hotdogs = [train_imgs[i][0] for i in range(8)]
# 获取训练集中的非热狗图像样本
# 从训练集的末尾8张图像中获取图像数据
not_hotdogs = [train_imgs[-i - 1][0] for i in range(8)]
# 显示图像
# 将热狗和非热狗图像合并为一个列表，并显示在2行8列的网格中
# scale参数用于调整图像显示的大小
utils_for_huitu.show_images(hotdogs + not_hotdogs, 2, 8, scale=1.4)