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.
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.
Трансферное обучение можно классифицировать по взаимосвязи между исходными и целевыми задачами и в основном включает в себя следующие виды:
Трансферное обучение имеет следующие преимущества перед традиционными методами машинного обучения:
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.
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}')
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.
# 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}')
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.
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}')
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.
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}')
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.
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}')
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.
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}')
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.
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.
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.
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.