數(shù)據(jù)增強（Data Augmentation）

人工智能，或者說計算機視覺的一個最終目標在于構建一個真正可適用于真實世界復雜環(huán)境的系統(tǒng)。而就目前所應用的機器學習系統(tǒng)而言，大部分采用了有監(jiān)督的學習方法，也必然導致了需要廣泛收集圖像樣本，并進行對應的圖像標注的工作。而人力時有窮盡，高質量的樣本集圖片又是構建一個優(yōu)秀的機器學習系統(tǒng)的關鍵因素。使用適當?shù)臄?shù)據(jù)增強方法可以將數(shù)據(jù)集的數(shù)量增大十倍以上，從而極大化利用小樣本集中的每個樣本，使之也可以訓練得到一個較好的機器學習模型。數(shù)據(jù)增強方法也可以提高模型的魯棒性，防止其易在訓練中出現(xiàn)過擬合的現(xiàn)象。

常用的數(shù)據(jù)增強方法主要來自數(shù)字圖像處理中的幾何變換，但不改變圖像中的像素值，而是改變了其空間位置，借此希望卷積神經(jīng)網(wǎng)絡學習到圖像中更多的不變性特征，也有利于提高其泛化性能。

以下將對各種方法做簡單的列舉與說明。

平移（Shift）變換：對原始圖片在圖像平面內(nèi)以某種方式（預先定義或者隨機方式確定平移的步長、范圍及其方向）進行平移。

翻轉（Flip）變換：沿豎直或者水平方向對原始圖片進行翻轉。

隨機裁剪（Random Crop）：隨機定義感興趣區(qū)域以裁剪圖像，相當于增加隨機擾動。

噪聲擾動（Noise）：對圖像隨機添加高斯噪聲或者椒鹽噪聲等。

對比度變換（Contrast）：改變圖像對比度，相當于在HSV空間中，保持色調(diào)分量H不變，而改變亮度分量V和飽和度S，用于模擬現(xiàn)實環(huán)境的光照變化。

縮放變換（Zoom）：以設定的比例縮小或者放大圖像。

尺度變換（Scale）：與縮放變換有點類似，不過尺度變換的對象是圖像內(nèi)容而非圖像本身（可以參考SIFT特征提取方法），構建圖像金字塔以得到不同大小、模糊程度的圖像。

權重初始化（weight initialization）

傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡之所以一直沒辦法加深網(wǎng)絡的深度，一個很重要的原因在于使用隨機梯度下降法訓練時，隨著訓練迭代過程的深入會出現(xiàn)梯度彌散的現(xiàn)象，也就導致了神經(jīng)網(wǎng)絡無法有效地從樣本中進行學習。而造成梯度彌散的一部分原因應該歸結于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡使用了權重隨機初始化。

而現(xiàn)代深度神經(jīng)網(wǎng)絡拋棄了隨機初始化的方法，轉而使用高斯初始化、 Xavier算法等來解決這一問題。

所謂的高斯初始化方法是指隨機選取一個固定均值（如0等）和固定方差（如0.01等）的高斯分布中的值作為網(wǎng)絡各個神經(jīng)元的權重參數(shù)的初值，從而保證權重參數(shù)訓練開始時符合高斯分布，以期獲得更好的結果。這是一種常用的權重初始化方法。

Xavier算法是Glorot于2010年提出的權值初始化方法。相比與隨機初始化或者高斯初始化方法中的隨機選取，Xavier算法為每一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權值進行了個性定制，因為他是根據(jù)輸入輸出神經(jīng)元的個數(shù)來進行權重的初始化。該算法假設對于一個網(wǎng)絡有n個線性神經(jīng)元，其初始權值為W，網(wǎng)絡輸出為Y，即：

Y=W_1 X_1+W_2 X_2+?+ W_n X_n （1-1）

計算每個神經(jīng)元輸出的方差如下：

Var（W_i X_i ）=E［X_i ］^2 Var（W_i ）+E［W_i ］^2 Var（X_i ） + Var（W_i ）Var（X_i ） （1-2）

假設所有輸入權重的均值為0，上述公式可以簡化如下：

Var（W_i X_i ）= Var（W_i ）Var（X_i ） （1-3）

同時假設Xi和Wi都是獨立同分布的，可得輸出Y的方差：

Var（Y）=Var（W_1 X_1+W_2 X_2+?+ W_n X_n ）=nVar（W_i ）Var（X_i ） （1-4）

故如果我們要求輸出分布要與輸入的分布一樣，則nVar（Wi）的值應為1。

盡管算法中使用了諸多假設，可是在實際應用過程中取得了良好的效果。直觀上來講，對原始的Xavier算法來說，假設輸入的均值為0對于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡是合理的。因為其初始化層之后是非線性激活層（tanh，sigmoid等）中的激活函數(shù)在0值附近的梯度值最大。而對于現(xiàn)代深度神經(jīng)網(wǎng)絡而言，由于其線性整流單元（ReLU）對于輸入的響應有一半為0，故He等提出以下公式作為替代。

Var（W_i ）=2/n_in （1-8）

隨機梯度下降法（Stochastic Gradient descent）

梯度下降法（Gradient descent）是當前最為受歡迎的優(yōu)化算法之一，也是最常用的深度神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化方法。它通過沿著當前函數(shù)點所對應的梯度的反方向進行迭代搜索，從而找到目標函數(shù)的極值點。許多學者對其提出了改進算法。

標準梯度下降法可以表征為：

θ（t+1）=θ_t- η?θ E（L（θ_t） （1-9）

其中η為每次迭代的學習率，L（θ）為目標函數(shù)。E［L（θ）］整個數(shù)據(jù)集的數(shù)學期望。

標準梯度下降法要求在每次迭代的時候都要計算整個數(shù)據(jù)集的梯度方向。它可以保證凸目標函數(shù)可以收斂到全局最小點，而對于非凸目標函數(shù)至少可以收斂到局部極值點。近幾十年來，樣本數(shù)據(jù)的增長速度遠遠大于處理器的計算能力的增長。從這個角度上來說，統(tǒng)計機器學習方法的局限在于計算能力而不在于樣本量的大小。對于小樣本學習中標準梯度下降法是適用的，但是應用于大數(shù)據(jù)集時是極其緩慢的，整個數(shù)據(jù)集無法一次性裝載進內(nèi)存中的情況越來越普遍。因此標準梯度下降法無法勝任于現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)據(jù)的優(yōu)化任務，此時隨機梯度下降法 （stochastic gradient descent， SGD）的應用效果要遠遠好于標準梯度下降法。

相比于計算整個數(shù)據(jù)集的梯度方向，隨機梯度下降法（SGD）以從訓練集中隨機選取的單個樣本來估計目標梯度，以迭代更新參數(shù)θ。

θ（t+1）=θ_t- η_t ?θ L（θ_t；x^（（t） ），y^（（t） ）） （1-10）

在實際應用過程中，每次的參數(shù)更新并不是根據(jù)單個樣本計算的，而是由所定義的最小批量樣本（mini-batch）來計算的。這可以降低單個樣本參數(shù)更新的劇烈波動并使收斂過程更加穩(wěn)定。由于采用批量樣本并不能完全代表數(shù)據(jù)集的梯度方向，其參數(shù)更新的波動也是無可避免的。但是這種波動一定程度上使其能夠跳轉到潛在的更好的局部極小點，并且最終到達全局最小點。盡管理論上，隨機梯度下降法（SGD）可以漸進收斂，但是在實際應用過程中仍有許多挑戰(zhàn)。

首先，收斂的速度取決于學習率η，一個合適的學習率并不是那么容易確定的。如果學習率太小會導致收斂過程極其緩慢，而過大的學習率η將會阻礙模型收斂并導致目標函數(shù)在最小值附近波動甚至發(fā)散。其次，對于神經(jīng)網(wǎng)絡這種高度非線性任務而言，其目標函數(shù)通常都有大量的次優(yōu)局部極小點，為保證收斂到全局最小點需要避免訓練過程陷入局部極小點中。

對于學習率或者學習策略的選擇，可以參考以下方法：

- 選取一個足夠小的，在第一次迭代中可以收斂的常數(shù)值（或選取兩個取其均值），如果收斂速度有所下降，取η/2作為新的學習率；

- 在每次迭代之后引入評估機制，當兩次迭代間的變化小于某個設定閾值時減小學習率。

為了避免訓練陷入局部極小點，Qian等提出了基于動量（momentum）的梯度下降學習算法，通過增加歷史參數(shù)更新的權重項，加速當前參數(shù)更新的過程并減少振蕩。

ν（t+1）=〖γν〗_t- η_t ?θ L（θ_t；x^（（t） ），y^（（t） ）） （1-11）

θ（t+1）=θ_t+ν（t+1） （1-12）

其中ν_（t+1）是當前的更新向量，γ即為動量，通常設為0.9或者其他常數(shù)。

2013年，Sutskever等對傳統(tǒng)動量算法改進動量更新過程使得訓練更加穩(wěn)定。而Recht等提出并行SGD以適應現(xiàn)代海量數(shù)據(jù)集的訓練任務。

批規(guī)范化（Batch normalization）

當訓練一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡時，由于各層參數(shù)不斷變化，所以各層輸入的概率分布也在不斷的變化，也導致了非線性激活函數(shù)（如sigmoid等）正負兩邊都會飽和，使得訓練迭代的過程變得極其緩慢甚至無法進行。這時候，通常需要采用較小的學習率以及精細進行權重初始化。loffe等將這種現(xiàn)象稱為“內(nèi)部協(xié)方差偏移”（internal covariate shift），并提出了批規(guī)范化（Batch normalization，BN）解決此類問題。

該論文中提出在每次隨機梯度下降迭代時，在最小批量樣本（mini-batch）內(nèi)做規(guī)范化操作，使得輸出結果各個維度的均值為0，方差為1，有效地避免了非線性激活函數(shù)的飽和問題（以sigmoid為例，觀察sigmoid函數(shù)即可知，該函數(shù)輸入集中在0附近時，其輸出梯度較大）；同時也讓梯度變化受參數(shù)及其初值的影響減小。

假設對當前隱含層執(zhí)行規(guī)范化，其輸入有d個，分別為 x=〖［x_1，x_1，…，x_d］〗^T，則其第k維輸出如下：

x ?k = （x_k-μβ）/√（δ_β^2+?） （1-13）

其中，μβ和δβ^2分別為最小批量樣本的均值和方差。

為了加強其表示能力，原作中引入了一對可學習參數(shù) γ，β，使得：

y_k=〖BN〗_（γ，β） （x_k ）= γx ?_k+β （1-14）

總體而言，批規(guī)范化（Batch normalization）作用可以歸納如下：

（1） 可以使用更高的學習率，加快了訓練速度；

（2） 可以移除或使用較低的dropout（下一小節(jié)將作介紹）。dropout是常用的防止過擬合的方法，較低的dropout也可以提高訓練速度。

（3） 減少圖像預處理的使用。由于現(xiàn)在訓練迭代次數(shù)降低，所以可以對樣本數(shù)據(jù)少做一些圖像扭曲，讓神經(jīng)網(wǎng)絡多從真實的數(shù)據(jù)中學習。

當然，對于上述問題的解決辦法并不是唯一的，Razvan等提出的自然梯度（Natural Gradient）也是對解決這一問題的一種思路。

Dropout

眾所周知，過擬合問題一直是機器學習的算法的致力于解決的問題。對于大型神經(jīng)網(wǎng)絡來說，其參數(shù)規(guī)模相比于淺層學習算法有了躍進式的增加，所以相對來說也更加容易發(fā)生過擬合的現(xiàn)象。而為了解決過擬合問題，一般會采用集成方法，即同時訓練多個模型進行組合，然而這種方法費時費力也不能保證取得預期效果。

2012年，Hinton等提出Dropout用于解決神經(jīng)網(wǎng)絡訓練易過擬合的問題。通過在其訓練過程中，按照事先規(guī)定的概率暫時屏蔽掉其中的某些神經(jīng)元。由于這種屏蔽是暫時而是隨機的，對于隨機梯度下降來說，相當于每一次批量樣本的訓練均是在訓練一個新的網(wǎng)絡。極端情況下，對于一個n節(jié)點的網(wǎng)絡，相當于同時在訓練2^n個不同網(wǎng)絡模型， 但此時需要優(yōu)化的參數(shù)數(shù)量確實不變的，這也一定程度上符合傳統(tǒng)的集成方法的思想而同時解決了其費時的問題。

其數(shù)學表達如下：

y= εx （1-15）

其中，ε以一定的概率p等于0，使得該神經(jīng)元節(jié)點x暫時被屏蔽。