【深度学习】深度学习刷SOTA的一堆trick
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2022-07-31 15:36
一般通用的trick都被写进论文和代码库里了，
像优秀的优化器，学习率调度方法，数据增强，dropout，初始化，BN，LN，确实是调参大师的宝贵经验，大家平常用的也很多。
这里主要有几个，我们分成三部分，稳定有用型trick，场景受限型trick，性能加速型trick。
稳定有用型trick
0.模型融合
懂得都懂，打比赛必备，做文章没卵用的人人皆知trick，早年模型小的时候还用stacking，直接概率融合效果也不错。
对抗训练
对抗训练就是在输入的层次增加扰动，根据扰动产生的样本，来做一次反向传播。以FGM为例，在NLP上，扰动作用于embedding层。给个即插即用代码片段吧，引用了知乎id:Nicolas的代码，写的不错，带着看原理很容易就明白了。
# 初始化
fgm = FGM(model)
for batch_input, batch_label in data:
# 正常训练
loss = model(batch_input, batch_label)
loss.backward() # 反向传播，得到正常的grad
# 对抗训练
fgm.attack() # 在embedding上添加对抗扰动
loss_adv = model(batch_input, batch_label)
loss_adv.backward() # 反向传播，并在正常的grad基础上，累加对抗训练的梯度
fgm.restore() # 恢复embedding参数
# 梯度下降，更新参数
optimizer.step()
model.zero_grad()具体FGM的实现
import torch
class FGM():
def __init__(self, model):
self.model = model
self.backup = {}
def attack(self, epsilon=1., emb_name='emb.'):
# emb_name这个参数要换成你模型中embedding的参数名
for name, param in self.model.named_parameters():
if param.requires_grad and emb_name in name:
self.backup[name] = param.data.clone()
norm = torch.norm(param.grad)
if norm != 0 and not torch.isnan(norm):
r_at = epsilon * param.grad / norm
param.data.add_(r_at)
def restore(self, emb_name='emb.'):
# emb_name这个参数要换成你模型中embedding的参数名
for name, param in self.model.named_parameters():
if param.requires_grad and emb_name in name:
assert name in self.backup
param.data = self.backup[name]
self.backup = {}
2.EMA/SWA
移动平均，保存历史的一份参数，在一定训练阶段后，拿历史的参数给目前学习的参数做一次平滑。这个东西，我之前在earhian的祖传代码里看到的。他喜欢这东西+衰减学习率。确实每次都有用。
# 初始化
ema = EMA(model, 0.999)
ema.register()
# 训练过程中，更新完参数后，同步update shadow weights
def train():
optimizer.step()
ema.update()
# eval前，apply shadow weights；eval之后，恢复原来模型的参数
def evaluate():
ema.apply_shadow()
# evaluate
ema.restore()
具体EMA实现，即插即用：
class EMA():
def __init__(self, model, decay):
self.model = model
self.decay = decay
self.shadow = {}
self.backup = {}
def register(self):
for name, param in self.model.named_parameters():
if param.requires_grad:
self.shadow[name] = param.data.clone()
def update(self):
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):
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):
for name, param in self.model.named_parameters():
if param.requires_grad:
assert name in self.backup
param.data = self.backup[name]
self.backup = {}
这两个方法的问题就是跑起来会变慢，并且提分点都在前分位，不过可以是即插即用类型
3.Rdrop等对比学习方法
有点用，不会变差，实现起来也很简单
#训练过程上下文
ce = CrossEntropyLoss(reduction='none')
kld = nn.KLDivLoss(reduction='none')
logits1 = model(input)
logits2 = model(input)
#下面是训练过程中对比学习的核心实现！！！！
kl_weight = 0.5 #对比loss权重
ce_loss = (ce(logits1, target) + ce(logits2, target)) / 2
kl_1 = kld(F.log_softmax(logits1, dim=-1), F.softmax(logits2, dim=-1)).sum(-1)
kl_2 = kld(F.log_softmax(logits2, dim=-1), F.softmax(logits1, dim=-1)).sum(-1)
loss = ce_loss + kl_weight * (kl_1 + kl_2) / 2
大家都知道，在训练阶段。dropout是开启的，你多次推断dropout是有随机性的。
模型如果鲁棒的话，你同一个样本，即使推断时候，开着dropout，结果也应该差不多。好了，那么它的原理也呼之欲出了。用一张图来形容就是：
随便你怎么踹(dropout)，本AI稳如老狗。
KLD loss是衡量两个分布的距离的，所以说他就是在原始的loss上，加了一个loss，这个loss刻画了模型经过两次推断，抵抗因dropout造成扰动的能力。
4.TTA
这个一句话说明白，测试时候构造靠谱的数据增强，简单一点的数据增强方式比较好，然后把预测结果加起来算个平均。
5.伪标签
代码和原理实现也不难，代价也是训练变慢，毕竟多了一些数据一句话说明白，就是用训练的模型，把测试数据，或者没有标签的数据，推断一遍。构成伪标签，然后拿回去训练。注意不要leak。
听起来挺离谱的，我们把步骤用伪代码实现一下。
model1.fit(train_set,label, val=validation_set) #step1
pseudo_label=model.pridict(test_set) #step2
new_label = concat(pseudo_label, label) #step3
new_train_set = concat(test_set, train_set) #step3
model2.fit(new_train_set, new_label, val=validation_set) #step4
final_predict = model2.predict(test_set) #step5
用网上一个经典的图来说就是。
6.神经网络自动填空值
表数据在NN上的trick，快被tabnet 集大成了，这个方法是把缺失值的位置之外的地方mask，本身当成1这样可以学习出一个参数，再加回这个feature的输入上。可以看看他文章的实现。
场景受限型trick
有用但场景受限或者不稳定
1.PET或者其他prompt的方案
在一些特定场景上有用，比如zeroshot，或者小样本的监督训练，在数据量充足情况下拿来做模型融合有点用，单模型不一定干的过硬怼。
2.Focalloss
偶尔有用，大部分时候用处不大，看指标，在一些对长尾，和稀有类别特别关注的任务和指标上有所作为。
3.mixup/cutmix等数据增强
挑数据，大部分数据和任务用处不大，局部特征比较敏感的任务有用，比如音频分类等
4人脸等一些改动softmax的方式
在数据量偏少的时候有用，在工业界数据量巨大的情况下用处不大
5.领域后预训练
把自己的数据集，在Bert base上用MLM任务再过一遍，代价也是变慢，得益于huggingface可用性极高的代码，实现起来也非常简单，适用于和预训练预料差别比较大的一些场景，比如中药，ai4code等，在一些普通的新闻文本分类数据集上用处不大。
6.分类变检索
这算是小样本分类问题的标准解法了，类似于人脸领域的baseline，在这上面有很多围绕类间可分，类内聚集的loss改进，像aa-softmax,arcface，am-softmax等
在文本分类，图像分类上效果都不错。
突破性能型trick
1.混合精度训练
AMP即插即用，立竿见影。
2.梯度累积
在优化器更新参数之前，用相同的模型参数进行几次前后向传播。在每次反向传播时计算的梯度被累积（加总）。不过这种方法会影响BN的计算，可以用来突破batchsize上限。
3.Queue或者memery bank
可以让batchsize突破天际，可以参考MoCo用来做对比学习的那个实现方式
4.非必要不同步
多卡ddp训练的时候，用到梯度累积时，可以使用no_sync减少不必要的梯度同步，加快速度
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