5 模型集成
本章讲解的知识点包括：集成学习方法、深度学习中的集成学习和结果后处理思路。
5.1 学习目标
- 学习集成学习方法以及交叉验证情况下的模型集成
- 学会使用深度学习模型的集成学习
5.2 集成学习方法
在机器学习中的集成学习可以在一定程度上提高预测精度，常见的集成学习方法有Stacking、Bagging和Boosting，同时这些集成学习方法与具体验证集划分联系紧密。
由于深度学习模型一般需要较长的训练周期，如果硬件设备不允许建议选取留出法，如果需要追求精度可以使用交叉验证的方法。
下面假设构建了10折交叉验证，训练得到10个CNN模型。
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那么在10个CNN模型可以使用如下方式进行集成：
- 对预测的结果的概率值进行平均，然后解码为具体字符；
- 对预测的字符进行投票，得到最终字符。
5.3 深度学习中的集成学习
此外在深度学习中本身还有一些集成学习思路的做法，值得借鉴学习：
5.3.1 Dropout
Dropout可以作为训练深度神经网络的一种技巧。在每个训练批次中，通过随机让一部分的节点停止工作。同时在预测的过程中让所有的节点都其作用。
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Dropout经常出现在在先有的CNN网络中，可以有效的缓解模型过拟合的情况，也可以在预测时增加模型的精度。
加入Dropout后的网络结构如下：
# 定义模型 class SVHN_Model1(nn.Module): def __init__(self): super(SVHN_Model1, self).__init__() # CNN提取特征模块 self.cnn = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2)), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.25), nn.MaxPool2d(2), nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2)), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.25), nn.MaxPool2d(2), ) # self.fc1 = nn.Linear(32*3*7, 11) self.fc2 = nn.Linear(32*3*7, 11) self.fc3 = nn.Linear(32*3*7, 11) self.fc4 = nn.Linear(32*3*7, 11) self.fc5 = nn.Linear(32*3*7, 11) self.fc6 = nn.Linear(32*3*7, 11) def forward(self, img): feat = self.cnn(img) feat = feat.view(feat.shape[0], -1) c1 = self.fc1(feat) c2 = self.fc2(feat) c3 = self.fc3(feat) c4 = self.fc4(feat) c5 = self.fc5(feat) c6 = self.fc6(feat) return c1, c2, c3, c4, c5, c6
5.3.2 TTA
测试集数据扩增（Test Time Augmentation，简称TTA）也是常用的集成学习技巧，数据扩增不仅可以在训练时候用，而且可以同样在预测时候进行数据扩增，对同一个样本预测三次，然后对三次结果进行平均。
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def predict(test_loader, model, tta=10): model.eval() test_pred_tta = None # TTA 次数 for _ in range(tta): test_pred = [] with torch.no_grad(): for i, (input, target) in enumerate(test_loader): c0, c1, c2, c3, c4, c5 = model(data[0]) output = np.concatenate([c0.data.numpy(), c1.data.numpy(), c2.data.numpy(), c3.data.numpy(), c4.data.numpy(), c5.data.numpy()], axis=1) test_pred.append(output) test_pred = np.vstack(test_pred) if test_pred_tta is None: test_pred_tta = test_pred else: test_pred_tta += test_pred return test_pred_tta
5.3.3 Snapshot
本章的开头已经提到，假设我们训练了10个CNN则可以将多个模型的预测结果进行平均。但是加入只训练了一个CNN模型，如何做模型集成呢？
在论文Snapshot Ensembles中，作者提出使用cyclical learning rate进行训练模型，并保存精度比较好的一些checkopint，最后将多个checkpoint进行模型集成。
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由于在cyclical learning rate中学习率的变化有周期性变大和减少的行为，因此CNN模型很有可能在跳出局部最优进入另一个局部最优。在Snapshot论文中作者通过使用表明，此种方法可以在一定程度上提高模型精度，但需要更长的训练时间。
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5.4 结果后处理
在不同的任务中可能会有不同的解决方案，不同思路的模型不仅可以互相借鉴，同时也可以修正最终的预测结果。
在本次赛题中，可以从以下几个思路对预测结果进行后处理：
- 统计图片中每个位置字符出现的频率，使用规则修正结果；
- 单独训练一个字符长度预测模型，用来预测图片中字符个数，并修正结果。
5.5 本章小节
在本章中我们讲解了深度学习模型做集成学习的各种方法，并以此次赛题为例讲解了部分代码。以下几点需要同学们注意：
- 集成学习只能在一定程度上提高精度，并需要耗费较大的训练时间，因此建议先使用提高单个模型的精度，再考虑集成学习过程；
- 具体的集成学习方法需要与验证集划分方法结合，Dropout和TTA在所有场景有可以起作用。
