標準的機器學習流程如何玩出新花樣

近日，CSDN與數(shù)字經(jīng)濟人才發(fā)展中心聯(lián)合主辦的第一屆CTA核心技術(shù)及應用峰會在杭州開啟。首屆CTA核心技術(shù)及應用峰會圍繞人工智能，邀請技術(shù)領(lǐng)航者，與開發(fā)者共同探討機器學習和知識圖譜的前沿研究及應用。在本次機器學習專場中，來自海康威視研究院前研技術(shù)部的負責人謝迪為我們帶來了題為《How to Explore in Machine Learning Pipeline》（機器學習流程研究）的精彩演講。

在機器學習時代，AI相關(guān)工作都是聚焦于具體的流程，如數(shù)據(jù)收集、模型訓練、模型配置等。AI從業(yè)/從事人員眾多，但大家做的事情很多都大同小異，這其實可以總結(jié)成一個標準的pipeline。但是，如何在機器學習的流水線上做出和別人不一樣的工作，還是需要很多技巧。這次，謝迪將會為大家分享如何在標準的機器學習流水線上，通過多年積累獲得的洞見，提升對于具體應用的認識。

標準機器學習Pipeline

如圖所示，這是一個標準的機器學習流水線，我們可以收集數(shù)據(jù)、提取特征、訓練分類器等。幾年前深度學習還沒有火的時候，我們靠人工提取算子，之后進行訓練，最后得到我們想要的模型，去解決具體問題。

隨著深度學習的興起，中間的兩塊已經(jīng)被神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一，但是我們認為在工業(yè)界，要得到真正工作的機器學習pipeline，還有兩個環(huán)節(jié)我們需要特別注意。其中包括數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，因為數(shù)據(jù)并不是現(xiàn)成的，實際上現(xiàn)在人工智能深入發(fā)展，對公司來說很大部分的工作還是集中在數(shù)據(jù)標定上，有了標定的數(shù)據(jù)之后才能進行訓練，最后得到一個模型。在?？低暎芏嗟膽靡郧笆欠旁诤蠖说?，但現(xiàn)在都在逐漸向往邊緣端轉(zhuǎn)移，所以我們有相當一部分的工作是在邊緣端的深度神經(jīng)模型以及工業(yè)機器人的配置上。

機器學習pipeline實踐

今天，我將和大家分享三個方面的工作，聚焦于標注、訓練和部署，這三個環(huán)節(jié)分別代表了信息的生成、提煉、重新整合以及信息的去冗余。

▌1. 標注

通用函數(shù)近似器

這是第一項工作。我們知道，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)的 SVM 或其他的線性模型，更類似于全局函數(shù)近似器，即輸入 ground truth，它就能輸出你想要的結(jié)果。

我們可以給定一個標注，輸入更多信息量，比如一個人在圖中的位置、關(guān)鍵點集合，甚至是一個非常稠密的網(wǎng)格。這是一個信息從少到多的過程，無論信息多復雜，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下都可以輸出你想要的結(jié)果。換一個角度理解，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)是非常敏感的。

多尺度對GT的影響

在安防場景中，我們最關(guān)心的是人和車。以行人檢測為例，在一個場景中，我們會關(guān)心各個尺度的行人，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同對象比較敏感，我們現(xiàn)在檢測的框架是基于邊界框的，對于大尺度的行人來說，紅框標定行人沒有問題，但是小尺度的行人標定存在兩個問題，第一個問題是小尺度的對象本身提供的信息非常有限，第二個是小尺度對象的真值框差異非常大。

如右圖所示，我們做了一個實驗，讓10個標定人員進行標定，藍色表示 Bounding-box （邊界框）標定方法，黃色是基于線段的標定方法，對于大尺度對象和小尺度對象，ground truth 的平均 IOU顯示如圖所示?？梢钥吹剑蟪叨葘ο竺黠@優(yōu)于小尺度對象。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息產(chǎn)生的方式非常敏感的前提來說，我們認為影響小目標檢測的問題之一，可能是在于信息生成方式的歧義性。

TLL小尺度行人檢測

為此我們提出了TLL。它的核心想法非常簡單，即 Bounding-box 表示方法會影響極小目標的檢出率，所以我們需要為小目標單獨設(shè)計一種生成信息的方式，我們通過 Bounding-box 上下兩點中心，做了一個連線，即把原來用一個 Bounding-box 表示一個物體的表示方式，變成了用一個線段表示一個人體，上端表示頭，下端表示人與頭之間的中心。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)我們使用了 Hourglass 的沙漏結(jié)構(gòu)。當然，多尺度是影響目標檢測的原因，所以我們也是使用了多尺度信息聚合的方式。

我們的網(wǎng)絡(luò)輸出是三個特征圖，分別表示人頭、兩腳和人體的分圖。最后，我們用后處理的方法，通過二分圖匹配得到最終的匹配結(jié)果，即圖中虛線所示直線。

但在實際場景中，我們發(fā)現(xiàn)當人群密度比較密的時候，使用二分圖匹配會出現(xiàn)如圖所示的交叉結(jié)果，所以我們引入了馬爾科夫隨機場，不鼓勵交叉情況的產(chǎn)生，這樣就可以獲得更好的結(jié)果，有效地避免了交叉產(chǎn)生。

在測試中，我們希望小目標的分辨率能夠在10像素以下，越小越好，因為越小越能體現(xiàn)算法的優(yōu)勢，而對于檢測過程中的幀漏檢，相比基于光流的顯示聚合方法，隱式的信息聚合方法可以進一步的提高檢出率。

這是量化的結(jié)果，顯示性能非常好。有個非常有趣的現(xiàn)象，我們僅僅是簡單地改變了標注的方式，本質(zhì)上即信息生成的方式，在嚴重遮擋的情況下，依然取得了更好的性能。

可以看到，無論在嚴重遮擋、遠景，還是不規(guī)則的長寬比的配置下，這個方法還是有一定的優(yōu)勢。

這是定性的一些結(jié)果，像圖中這樣檢測難度非常大的情況也可以檢測出，稠密的行人也沒有漏檢。我們在一些目標項目中落地了這一方法，如在上海陸家嘴的環(huán)形天橋上，攝像頭能夠精確地統(tǒng)計天橋上行人的數(shù)量。

這個工作我們從 2017 年開始做，最初的目標檢測用到了兩階段的方法，代表有 FastCNN。一步檢測的代表框架有 SSD 和 YOLO，現(xiàn)在甚至有人在關(guān)注 Anchor-free 的方法，包括 FCOS、ReqPoints 等。這都是大家嘗試找到一種不一樣的邊界框產(chǎn)生方式，能夠更好地指導網(wǎng)絡(luò)進行訓練，并挖掘出原始數(shù)據(jù)中有價值的信息并用到具體的應用中。

▌2. 訓練

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練洞見

我分享的第二個工作是如何訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是什么。訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很多初始化方法和優(yōu)化器，在訓練中對信息進行歸一化。

從信息傳播的角度看，我們認為這些方法本質(zhì)上是保持訓練過程中或訓練初始階段的恒常性。恒常性可以分為兩種，一種是靜態(tài)恒常性，一種是動態(tài)恒常性。靜態(tài)恒常性一般用在初始階段，也就是初始化即可；動態(tài)恒常性就是優(yōu)化的過程中，每一輪迭代都讓信息的某種統(tǒng)計量保持不變。大家比較熟悉的初始化方法，包括Xavier、MSra、LSUV都屬于靜態(tài)恒常性，所有層保持在固定的數(shù)量級上，讓初始權(quán)重的某些統(tǒng)計量保持在統(tǒng)一數(shù)量級上；動態(tài)恒常性包括 WN、BN、LN 等。但無論是哪種方式，無非就是設(shè)計某種規(guī)劃，能夠讓信息的量級在某一個傳播方向上保持不變，當然不是數(shù)字上的不變，而是統(tǒng)計量上的不變，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練有點類似于蝴蝶效應，所以恒常性非常重要。

四個觀點

先講我們的四個觀點：

第一，我們訓練一個真正深的網(wǎng)絡(luò)，批歸一化是一個必要條件；

第二，相較于靜態(tài)恒常性，動態(tài)恒常性更加重要；

第三，相較于單個方向保持動態(tài)恒常性，在訓練時保持兩個方向，同時保持動態(tài)的恒常性，才是解決這個問題的關(guān)鍵；

最后，如果模型非常深，可能還需要顯示對傳播的信號進行調(diào)控。

退化問題

大家可能說，用了ResNet 好像沒有發(fā)生很難訓練的情況，但是康奈爾大學的一篇文章指出，ResNet 本質(zhì)上是指數(shù)級淺網(wǎng)絡(luò)的聚合，如左圖所示，我們的工作是對沒有任何殘差結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的訓練方法。這種方法訓練過程中會產(chǎn)生退化問題，即當以網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)作為橫坐標、性能作為縱坐標，結(jié)果會如右圖所示，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)小于等于20層時，簡單堆疊網(wǎng)絡(luò)層數(shù)會產(chǎn)生增益性能，但層數(shù)超過20，收斂率會大大下降，性能變差，這就是著名的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練退化的問題。我們的工作其實沒有解決這個問題，只是緩解了這一問題，但希望可以給從業(yè)人員一些啟發(fā)。

內(nèi)在因素

我們認為原因可能有兩個，第一是批歸一化的偽歸一化問題，前面的信號傳遞沒有問題，在每一層卷積以后，信號雖然有時會被放大，有時會被縮小，但是經(jīng)過批歸一化以后，分布又能夠被拉回來。但是如果推導反向評估顯示，會發(fā)現(xiàn)當層數(shù)非常深時，誤差累積的效應會讓反向傳播誤差的分布越來越偏，造成訓練出問題。

第二個原因可能更加深刻一點，我們知道反向傳播的信號其實是和輸出相對于輸入息息相關(guān)。一般的工作可能推導到卷積層，我們還考慮了 BN 層，推導如圖所示，在 MXM 層的方陣里面，左上角兩個數(shù)值很有可能取到 0 或近似 0。底部的示意圖表示一個信息量比較豐富的信號，在反向傳播時，一層一層往回傳會造成信號特定維度上的信息丟失。我們認為信息的丟失也會破壞動態(tài)恒常性，造成沒有殘差結(jié)構(gòu)深度網(wǎng)絡(luò)難以訓練。

解決方案1：正規(guī)化

找到實用且有效的方法非常難，我們首先想到了一個數(shù)學公式，如果線性變化位于一個正交權(quán)上，就能獲得輸入和輸出向量之間范數(shù)上的幅值等價性。但是我們發(fā)現(xiàn)，如果強制要求權(quán)重位于正交基上，很大程度會限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解空間的范圍。我們用正交正則的思路替代 LR，去解決這個問題。

我們希望在反向傳播時，信號的幅值能夠位于比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。由于各種應用不同，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會對應不同的超參數(shù)，輸入和輸出通道的不同等原因也會使得維度上出現(xiàn)一些問題。比如，在三維空間中找到四個相互正交的向量，在數(shù)學上是不可行的。對于輸入維度小于輸出的情況，需要要進行分組，讓每個組的 din 大于等于 dout。

解決方案2：調(diào)制

第二個解決方案想法比較簡單，就是對信號進行調(diào)制。在我們推導的公式中，為每一層設(shè)計一個符合該層的放大因子或縮小因子，該因子取值由該層的誤差輸出和輸入的比值決定。此方法可以在訓練一個沒有殘差的一百層網(wǎng)絡(luò)的初始階段使用。

實驗結(jié)果

這是我們的一些實驗的結(jié)果，最左圖是每一層的 weights 相關(guān)度的曲線圖，大家可以看到，綠色表示正交正則，藍色表示權(quán)重衰減，用了正交正則以后，位置之間的夾角較大，夾角越大，相關(guān)度越低，此方法有效地保持了 weights 之間的低相關(guān)度。

右邊的兩幅圖是反向傳播的誤差性浮值的曲線。同樣地，藍色是權(quán)重衰減的方法，綠色是正交正則方法，可以看到正交正則可以適當放大信號，有效保留反向傳播中有用的信號，這些有用的部分，我們認為是能夠讓網(wǎng)絡(luò)正常訓練的關(guān)鍵因素。

我們對 SGD、正交正則和其他的一些自適應方法等進行比較，發(fā)現(xiàn)我們的方法能夠獲得較好的性能，當層數(shù)到達 110 層時，很多方法已經(jīng)無法訓練了，但我們的方法還是可以繼續(xù)收斂，并可以用在殘差網(wǎng)絡(luò)里，但是對性能的提升不是很明顯。

在其他人的工作中，我們也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論。BigGan 提到正交正則有利于 Gan 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。LARS 也提出了分層學習力的思想，只不過它使用了 weight 幅值與其梯度幅值的比值。

部署

▌模型壓縮方法

以下的工作是模型部署。我們有很多攝像頭產(chǎn)品，所以壓縮方法是重中之重。

我今天要講的是輕量級算子的相關(guān)工作，動機在于卷積是信息聚合的一種方式，可以分成兩個階段，一個是確定感受野，第二是確定兩個向量之間的內(nèi)積。3X3 的卷積既能滿足感受野，也能兼顧 flops，所以大多數(shù)卷積是 3X3。

但是，我們是否能找到一個 1X1 的方式替代原來的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)呢？答案是有的。那就是Shift操作，它可以把某一層的特征圖進行平移，然后用 1X1 進行信息聚合，好處是沒有額外的計算量。

因為最初的 shift CNN 需要人工確定平移的方向和大小，但我們想要通過自適應去學習平移方向，同時保持特征圖不動，因為特征圖移動會產(chǎn)生一定代價，所以我們用雙向性插值，把平移的量切換為連續(xù)的浮點值，然后增加了一個鼓勵稀疏的正則。

我們根據(jù)這個基本思想設(shè)計了一些基本模塊，結(jié)合了下采樣、多尺度融合等。

這是基于Unsigned Block做融合，用 4 領(lǐng)域的 shift 操作代替了 8 領(lǐng)域的 shift 操作。

我們還設(shè)計了兼顧效率的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以一種反規(guī)約的順序進行 shift 卷積，增加了感受野的復雜度和聚合的復雜度，產(chǎn)生更好的效果，效率提升，跑得速度更快。

這是與 Mobilenet 和 ShuffleNet 性能比較。

這是我們對隨機選取的六層網(wǎng)絡(luò)進行可視化的結(jié)果，圈越大表示特征圖越多，占比越高。統(tǒng)計顯示，約 70% 的分類問題特征圖是不需要移動的，這非常有趣。

這是上個月 MobileNetV3 的工作，我們的想法與之不謀而合：模塊放置在深度濾波器的拓展之后，以將注意力應用于最大的表示......

最后是四點總結(jié)：

第一點，我們認為現(xiàn)在的深度學習框架中，模型對信息生成的方式非常敏感，可以考慮在把信息“喂”給模型之前，如何讓信息的呈現(xiàn)方式歧義變小，這樣可以獲得更好的結(jié)果。

第二點，邊界框可能已經(jīng)過時了，我們需要想一些更加優(yōu)雅、優(yōu)美的表示方式。

第三點，我們認為訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，動態(tài)恒常性是一個關(guān)鍵因素。

最后一點，對于芯片設(shè)計者來說，過多的算子會導致電路更復雜，就像檢測框架會趨向于過程簡化，我們認為算子也會進行收斂，以后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能只有 1X1 的卷積，加上其他的操作就能夠進行各種智能應用。