[Машинное обучение] Важный метод машинного обучения – трансферное обучение: теория, метод и практика
[Машинное обучение] Важный метод машинного обучения – трансферное обучение: теория, метод и практика
Трансферное обучение: теория, методы и практика

введение

Трансферное обучение (Transfer Learning) — важная отрасль машинного обучения. Применяя знания, полученные в одной области или задаче, к другой области или задаче, можно значительно повысить производительность модели, когда данных недостаточно или ресурсы обучения ограничены. В этой статье будут рассмотрены основные принципы, основные методы и практические применения трансферного обучения, а также представлены примеры кода, которые помогут читателям лучше понять и освоить эту технологию.

Глава 1. Основные понятия трансферного обучения
1.1 Что такое трансферное обучение?

Трансферное обучение — это тип метода машинного обучения, который использует знания, полученные в исходном домене (исходном домене) или задаче (исходной задаче), чтобы помочь в обучении целевого домена (целевого домена) или задачи (целевой задачи). Основная идея трансферного обучения — использовать существующие модели или знания для уменьшения зависимости от крупномасштабных аннотированных данных в целевых задачах и повышения эффективности обучения и производительности модели.

1.2 Типы трансферного обучения

Трансферное обучение можно классифицировать по взаимосвязи между исходными и целевыми задачами и в основном включает в себя следующие виды:

  • Индуктивное трансферное обучение:Исходная задача и целевая задача отличаются,Но исходный домен и целевой домен могут быть одинаковыми или разными.
  • Трансдуктивное трансферное обучение:Исходный домен и целевой домен отличаются,Но миссия та же.
  • Междоменное трансферное обучение:Исходный домен и целевой домен отличаются,И задачи разные.
1.3 Преимущества трансферного обучения

Трансферное обучение имеет следующие преимущества перед традиционными методами машинного обучения:

  • Сокращение требований к данным аннотаций:Используя знания из исходной задачи,Может снизить потребность в большом количестве данных аннотаций в целевой задаче.
  • Улучшение производительности модели:в целевой задачеданные Когда ресурсы для обучения недостаточны или ограничены,трансферное Обучение может значительно улучшить способность обобщения и точность прогнозирования Модели.
  • Ускорьте обучение модели:Предварительная миграция Модель обучения Параметры,Может сократить время обучения модели и вычислительные затраты.
Глава 2. Основные методы трансферного обучения
2.1 Повторное использование функций

Повторное использование функций — это простой, но эффективный метод переноса обучения. Он напрямую использует уровень извлечения признаков исходной модели задачи, применяет его к целевой задаче для извлечения признаков, а затем обучает новый классификатор или регрессию на данных целевой задачи. . устройство.

Язык кода:javascript
копировать
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers, models
from tensorflow.keras.applications import VGG16

# Загрузите предварительно обученную модель VGG16Model, исключая верхний классификатор.
base_model = VGG16(weights='imagenet', include_top=False, input_shape=(224, 224, 3))

# Заморозить слои предварительно обученной модели.
for layer in base_model.layers:
    layer.trainable = False

# Создайте новый классификатор
model = models.Sequential([
    base_model,
    layers.Flatten(),
    layers.Dense(256, activation='relu'),
    layers.Dropout(0.5),
    layers.Dense(10, activation='softmax')
])

# Скомпилировать модель
model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# Загрузка и предварительная обработка набора CIFAR-10данный
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = tf.keras.datasets.cifar10.load_data()
x_train = tf.image.resize(x_train, (224, 224)).numpy() / 255.0
x_test = tf.image.resize(x_test, (224, 224)).numpy() / 255.0
y_train = tf.keras.utils.to_categorical(y_train, 10)
y_test = tf.keras.utils.to_categorical(y_test, 10)

# Модель обучения
model.fit(x_train, y_train, epochs=10, validation_data=(x_test, y_test), batch_size=32)

# Модель оценки
test_loss, test_acc = model.evaluate(x_test, y_test)
print(точность проверки: {test_acc}')
2.2 Точная настройка

Точная настройка — это распространенный метод трансферного обучения, который адаптируется к характеристикам целевой задачи, продолжая обучение некоторых или всех слоев предварительно обученной модели на данных целевой задачи.

Язык кода:javascript
копировать
# Частичная оттепель обученияслой
for layer in base_model.layers[-4:]:
    layer.trainable = True

# Ре Скомпилировать модель (используйте меньшую скорость обучения)
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-5), loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# Продолжить Модель обучения
model.fit(x_train, y_train, epochs=5, validation_data=(x_test, y_test), batch_size=32)

# Модель оценки
test_loss, test_acc = model.evaluate(x_test, y_test)
print(f'Проверка точности после тонкой настройки: {test_acc}')
2.3 Адаптация домена

Адаптация домена — это метод трансферного обучения, который повышает производительность прогнозирования в целевом домене за счет корректировки модели исходного домена, чтобы она могла лучше адаптироваться к распределению данных в целевом домене. Общие методы адаптации включают состязательное обучение и выравнивание подпространства.

Язык кода:javascript
копировать
from tensorflow.keras.datasets import mnist, usps
from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.layers import Dense, Input

# Загрузка наборов данных MNIST и USPS
(mnist_train_images, mnist_train_labels), (mnist_test_images, mnist_test_labels) = mnist.load_data()
(usps_train_images, usps_train_labels), (usps_test_images,usps_test_labels) = usps.load_data();

# предварительная обработка данных
МНИСТ поезд_изображения = mnist_train_images.reshape(-1, 28*28).astype('float32') / 255
mnist_test_images = mnist_test_images.reshape(-1, 28*28).astype('float32') / 255
usps_train_images = usps_train_images.reshape(-1, 28*28).astype('float32') / 255
usps_test_images = usps_test_images.reshape(-1, 28*28).astype('float32') / 255

mnist_train_labels = tf.keras.utils.to_categorical(mnist_train_labels, 10)
mnist_test_labels = tf.keras.utils.to_categorical(mnist_test_labels, 10)
usps_train_labels = tf.keras.utils.to_categorical(usps_train_labels, 10)
usps_test_labels = tf.keras.utils.to_categorical(usps_test_labels, 10)

# Определить исходный домен Модель
input_tensor = Input(shape=(28*28,))
x = Dense(256, activation='relu')(input_tensor)
x = Dense(256, activation='relu')(x)
output_tensor = Dense(10, activation='softmax')(x)

source_model = Model(inputs=input_tensor, outputs=output_tensor)
source_model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# Обучение модели исходного домена на наборе данных MNIST
source_model.fit(mnist_train_images, mnist_train_labels, epochs=10, batch_size=128, validation_data=(mnist_test_images, mnist_test_labels))

# Определить модель адаптации предметной области
feature_extractor = Model(inputs=source_model.input, outputs=source_model.layers[-2].output)
target_input = Input(shape=(28*28,))
target_features = feature_extractor(target_input)
target_output = Dense(10, activation='softmax')(target_features)
domain_adapt_model = Model(inputs=target_input, outputs=target_output)
domain_adapt_model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# Точная настройка адаптации модели на основе набора данных USPS
domain_adapt_model.fit(usps_train_images, usps_train_labels, epochs=10, batch_size=128, validation_data=(usps_test_images, usps_test_labels))

# Адаптация поля оценки Модель
test_loss, test_acc = domain_adapt_model.evaluate(usps_test_images, usps_test_labels)
print(f'Точность адаптации домена Модель на тестовом наборе USPS: {test_acc}')
Вставьте сюда описание изображения
Вставьте сюда описание изображения
Глава 3. Примеры применения трансферного обучения
3.1 Анализ медицинских изображений

В задачах анализа медицинских изображений трансферное обучение может значительно улучшить эффективность классификации или обнаружения небольших наборов данных медицинских изображений за счет использования моделей, предварительно обученных на крупномасштабных наборах данных естественных изображений. Ниже приведен пример использования трансферного обучения для выявления пневмонии в наборе рентгеновских данных грудной клетки.

Язык кода:javascript
копировать
from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
from tensorflow.keras.applications import InceptionV3

# Загрузите предварительно обученную модель InceptionV3Model
base_model = InceptionV3(weights='imagenet', include_top=False, input_shape=(224, 224, 3))

# Заморозить слои предварительно обученной модели.
for layer in base_model.layers:
    layer.trainable = False

# Создайте новый классификатор
model = models.Sequential([
    base_model,


    layers.GlobalAveragePooling2D(),
    layers.Dense(256, activation='relu'),
    layers.Dropout(0.5),
    layers.Dense(1, activation='sigmoid')
])

# Скомпилировать модель
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy',metrics=['accuracy'])

# данныепредварительная обработка
train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=0.5, validation_split=0.2)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
    'chest_xray/train',
    target_size=(224, 224),
    batch_size=32,
    class_mode='binary',
    subset='training'
)
validation_generator = train_datagen.flow_from_directory(
    'chest_xray/train',
    target_size=(224, 224),
    batch_size=32,
    class_mode='binary',
    subset='validation'
)

# Модель обучения
model.fit(train_generator, epochs=10, validation_data=validation_generator)

# Модель оценки
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=0.5)
test_generator = test_datagen.flow_from_directory(
    'chest_xray/test',
    target_size=(224, 224),
    batch_size=32,
    class_mode='binary'
)
test_loss, test_acc = model.evaluate(test_generator)
print(f'трансферное Точность обучения Модель на рентгенологическом комплексе: {test_acc}')
3.2 Классификация текста

В задачах классификации текста трансферное обучение может значительно улучшить производительность классификации в конкретной области или задаче за счет использования языковых моделей, предварительно обученных на крупномасштабных текстовых корпусах. Ниже приведен пример анализа настроений IMDB с использованием предварительно обученной модели BERT.

Язык кода:javascript
копировать
from transformers import BertTokenizer, TFBertForSequenceClassification
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
from tensorflow.keras.losses import SparseCategoricalCrossentropy

# Загрузка предварительной модели BERT обучение и токенайзер
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')
model = TFBertForSequenceClassification.from_pretrained('bert-base-uncased', num_labels=2)

# Скомпилировать модель
model.compile(optimizer=Adam(learning_rate=3e-5), loss=SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True), metrics=['accuracy'])

# Загрузить набор данных IMDB
(x_train, y_train), (x_test,y_test) = tf.keras.datasets.imdb.load_data(num_words=10000);

# данныепредварительная обработка
макслен = 100
x_train = Pad_sequences ( x_train, maxlen=maxlen)
x_test = pad_sequences(x_test, maxlen=maxlen)

# Преобразование данных во входной формат BERT
def encode_data(texts, labels):
    input_ids = []
    attention_masks = []
    for text in texts:
        encoded = tokenizer.encode_plus(
            text,
            add_special_tokens=True,
            max_length=maxlen,
            pad_to_max_length=True,
            return_attention_mask=True,
            return_tensors='tf'
        )
        input_ids.append(encoded['input_ids'])
        attention_masks.append(encoded['attention_mask'])
    return {
        'input_ids': tf.concat(input_ids, axis=0),
        'attention_mask': tf.concat(attention_masks, axis=0)
    }, tf.convert_to_tensor(labels)

train_data, train_labels = encode_data(x_train, y_train)
test_data, test_labels = encode_data(x_test, y_test)

# Модель обучения
model.fit(train_data, train_labels, epochs=3, batch_size=32, validation_data=(test_data, test_labels))

# Модель оценки
test_loss, test_acc = model.evaluate(test_data, test_labels)
print(f'трансферное Точность обучения Модель на тестовом наборе IMDB: {test_acc}')
3.3 Обнаружение промышленных неисправностей

В задачах обнаружения промышленных неисправностей трансферное обучение может значительно улучшить производительность обнаружения неисправностей в конкретном оборудовании или сценариях за счет использования моделей, предварительно обученных на крупномасштабных промышленных данных. Ниже приведен пример использования трансферного обучения для обнаружения неисправностей промышленного оборудования.

Язык кода:javascript
копировать
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split
from tensorflow.keras.models import load_model

# Загрузка предварительно обученной модели обнаружения неисправностей
base_model = load_model('pretrained_fault_detection_model.h5')

# Заморозить слои предварительно обученной модели.
for layer in base_model.layers[:-2]:
    layer.trainable = False

# Создайте новый классификатор
model = models.Sequential([
    base_model,
    layers.Dense(64, activation='relu'),
    layers.Dropout(0.5),
    layers.Dense(1, activation='sigmoid')
])

# Скомпилировать модель
model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# Сбор данных о загрузке и предварительной обработке промышленного оборудования
data = pd.read_csv('industrial_equipment_data.csv')
X = data.drop(columns=['fault'])
y = data['fault']
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_scaled, y, test_size=0.2, random_state=42)

# Модель обучения
model.fit(X_train, y_train, epochs=10, batch_size=32, validation_data=(X_test, y_test))

# Модель оценки
test_loss, test_acc = model.evaluate(X_test, y_test)
print(f'трансферное Точность обучения Модель на стенде для обнаружения неисправностей промышленного оборудования: {test_acc}')
Глава 4. Будущее развитие и проблемы трансферного обучения
4.1 Различия в предметных областях и адаптируемость модели

Основной проблемой трансферного обучения является разница между исходным и целевым доменами. Важным направлением исследований является изучение того, как разрабатывать более гибкие и адаптируемые модели, чтобы их можно было эффективно переносить из разных областей.

4.2 Конфиденциальность и безопасность данных

При трансферном обучении вопросы конфиденциальности и безопасности исходных данных домена требуют особого внимания. Изучение того, как провести эффективное трансферное обучение, обеспечивая при этом конфиденциальность и безопасность данных, является ключевой темой исследования.

4.3 Междоменный перенос и многозадачное обучение

Междоменное трансферное обучение и многозадачное обучение являются двумя важными направлениями трансферного обучения. Изучение того, как распределять знания между несколькими задачами и областями, а также улучшать способность к обобщению и адаптируемости модели, является важным направлением исследований в области трансферного обучения.

в заключение

Трансферное обучение — это эффективный метод машинного обучения, который применяет полученные знания из одной задачи или области к другой. Он особенно эффективен, когда данных недостаточно или ресурсы обучения ограничены. В этой статье подробно представлены основные концепции, основные методы и практические применения трансферного обучения, а также приведены конкретные примеры кода, которые помогут читателям глубже понять и освоить эту технологию. Я надеюсь, что эта статья станет для вас ценной справочной информацией для дальнейшего изучения и применения трансферного обучения.

boy illustration
Неразрушающее увеличение изображений одним щелчком мыши, чтобы сделать их более четкими артефактами искусственного интеллекта, включая руководства по установке и использованию.
boy illustration
Копикодер: этот инструмент отлично работает с Cursor, Bolt и V0! Предоставьте более качественные подсказки для разработки интерфейса (создание навигационного веб-сайта с использованием искусственного интеллекта).
boy illustration
Новый бесплатный RooCline превосходит Cline v3.1? ! Быстрее, умнее и лучше вилка Cline! (Независимое программирование AI, порог 0)
boy illustration
Разработав более 10 проектов с помощью Cursor, я собрал 10 примеров и 60 подсказок.
boy illustration
Я потратил 72 часа на изучение курсорных агентов, и вот неоспоримые факты, которыми я должен поделиться!
boy illustration
Идеальная интеграция Cursor и DeepSeek API
boy illustration
DeepSeek V3 снижает затраты на обучение больших моделей
boy illustration
Артефакт, увеличивающий количество очков: на основе улучшения характеристик препятствия малым целям Yolov8 (SEAM, MultiSEAM).
boy illustration
DeepSeek V3 раскручивался уже три дня. Сегодня я попробовал самопровозглашенную модель «ChatGPT».
boy illustration
Open Devin — инженер-программист искусственного интеллекта с открытым исходным кодом, который меньше программирует и больше создает.
boy illustration
Эксклюзивное оригинальное улучшение YOLOv8: собственная разработка SPPF | SPPF сочетается с воспринимаемой большой сверткой ядра UniRepLK, а свертка с большим ядром + без расширения улучшает восприимчивое поле
boy illustration
Популярное и подробное объяснение DeepSeek-V3: от его появления до преимуществ и сравнения с GPT-4o.
boy illustration
9 основных словесных инструкций по доработке академических работ с помощью ChatGPT, эффективных и практичных, которые стоит собрать
boy illustration
Вызовите deepseek в vscode для реализации программирования с помощью искусственного интеллекта.
boy illustration
Познакомьтесь с принципами сверточных нейронных сетей (CNN) в одной статье (суперподробно)
boy illustration
50,3 тыс. звезд! Immich: автономное решение для резервного копирования фотографий и видео, которое экономит деньги и избавляет от беспокойства.
boy illustration
Cloud Native|Практика: установка Dashbaord для K8s, графика неплохая
boy illustration
Краткий обзор статьи — использование синтетических данных при обучении больших моделей и оптимизации производительности
boy illustration
MiniPerplx: новая поисковая система искусственного интеллекта с открытым исходным кодом, спонсируемая xAI и Vercel.
boy illustration
Конструкция сервиса Synology Drive сочетает проникновение в интрасеть и синхронизацию папок заметок Obsidian в облаке.
boy illustration
Центр конфигурации————Накос
boy illustration
Начинаем с нуля при разработке в облаке Copilot: начать разработку с минимальным использованием кода стало проще
boy illustration
[Серия Docker] Docker создает мультиплатформенные образы: практика архитектуры Arm64
boy illustration
Обновление новых возможностей coze | Я использовал coze для создания апплета помощника по исправлению домашних заданий по математике
boy illustration
Советы по развертыванию Nginx: практическое создание статических веб-сайтов на облачных серверах
boy illustration
Feiniu fnos использует Docker для развертывания личного блокнота Notepad
boy illustration
Сверточная нейронная сеть VGG реализует классификацию изображений Cifar10 — практический опыт Pytorch
boy illustration
Начало работы с EdgeonePages — новым недорогим решением для хостинга веб-сайтов
boy illustration
[Зона легкого облачного игрового сервера] Управление игровыми архивами
boy illustration
Развертывание SpringCloud-проекта на базе Docker и Docker-Compose