本文来自52CV群友Qiao-Mu Ren的读书笔记。原载于知乎：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/89566632
前言：本笔记是对近日阅读keynote“Troubleshooting Deep Neural Networks”的总结。
keynote来源：http://josh-tobin.com/assets/pdf/troubleshooting-deep-neural-networks-01-19.pdf （请在后台回复“模型检查”，即可收到国内下载地址）
为什么需要讨论DL Troubleshooting？
80%-90%时间用于debug和tune，10%-20%时间用于推导数学或者实现。
模型为什么会表现糟糕？
- 实现时的bug，很多深度学习bug不可见，比如模型label顺序错误
- 超参数选择，因为模型对超参数比较敏感
- 数据/模型拟合
- 数据集创建，常见问题如下：
- 没有足够数据
- 类别不平衡
- 噪声标签
- 训练和测试的分布不同
DL Troubleshooting策略
Start simple：尽可能使用最简单的模型和数据，比如在数据的一个子集上使用LeNet
- 选择简单结构
- 使用sensible配置
- 对输入归一化
- 简化问题
- 使用更小的训练数据
- 使用更小的图像尺寸
- 创建一个更简单的合成训练集
Implement & debug：使得模型在一个batch上过拟合或者复现已知结果
最常见的5种深度学习bug：
Get your model to run
常见问题及解决方法：
- shape mismatch、casting issue等，可以在模型创建阶段使用调试器逐步调试，具体地，shape mismatch可能存在未定义形状、错误形状等问题，比如在错误维度求和、取平均等、忘记在卷积层后flatten张量等；casting issue中常见问题：没有将图像从uint8转换到float32等。
- Out of Memory，逐一去除内存密集型操作，具体地，常见问题如下：tensor过大（batch size过大或者太大的全连接层）、数据过多（将太大的数据集加载到内存中或为数据集创建分配了太大的缓冲区）、拷贝错误（由于在同一会话中创建多个模型而导致的内存泄漏、重复创建操作（例如，在一次又一次调用的函数中））
Overfit a single batch
常见问题:
- error上升：损失函数的符号错误、学习率太高、softmax使用在错误维度
- error爆炸：数值问题、学习率太低
- error震荡：数据或者标签有误、学习率太低
- error不动：学习率太低、梯度没有在整个模型传播、过分正则化、损失函数的输入错误、数据或者标签有误
Compare to a known result
- 在相似数据集上评估官方提供的模型实现
- 在benchmark上评估官方提供的模型实现
- 非官方模型实现
- 参考文章结果（没有代码）
- 自己代码实现在benchmark上的结果
- 相似模型在相似数据集上的结果
- 非常简单的baseline，如线性回归
Evaluate：使用bias-variance decomposition决定下一步措施
Test error = irreducible error + bias + variance (+ distribution shift) + val overfitting (train, val, and test all come from the same distribution)
Improve model/data：如果欠拟合，使得模型更大；如果过拟合，增加数据或者添加正则化
解决欠拟合（使用顺序由上到低下）：
- 使得模型变大，比如增加层数或者在每层中使用更多单元
- 减少正则化
- 错误分析
- 选择一个不同结构
- 调整超参数
- 增加特征
解决过拟合（使用顺序由上到低下）：
- 增加更多数据
- 增加归一化
- 数据增强
- 增加正则化（如dropout、L2、weight decay）
- 错误分析
- 使用一个不同结构
- 调整超参数
- 及时停止
- 去除特征
- 减少模型大小
解决分布转换（distribution shift）：
- 分析测试-验证集错误 & 收集更多训练数据
- 分析测验-验证集错误 & 合成更多训练数据
- 使用领域适应改变训练和测试分布（领域适应，使用未标注数据或者有限的标注数据，将source上的训练结果泛化到target上）
平衡数据集
如果验证集上的结果好于测试结果，在验证集上过拟合。上述情况通常发生在小验证集上或者大规模超参数调整
Tune hype-parameters：由粗到细地随机搜索
超参数优化面临如下问题：
网络：多少层？如何参数初始化？卷积核大小？
优化器：batch size？学习率？beta1，beta 2？
正则化：？
方法1：人工选择超参数
- 需要理解算法，训练/评估网络，猜测一个更好的超参数值/重新评估，可以和其他方法相结合。
- 优点：对于经验丰富的专家，消耗非常小的计算量得到好结果
- 缺点：需要对算法有很深的见解、非常耗时
方法2：网格搜索
- 优点：实现非常简单、能够产生好结果
- 缺点：不高效、需要先验知识
方法3：随机搜索
方法4：由粗到细搜索
- 先在大区域中找到使得结果比较好的子区域，重复上述过程
- 优点：可以缩小非常高性能的超参数、实际使用最多的方法
- 缺点：somewhat manual process
方法5：贝叶斯方法
- 从预先估计参数分布开始，包含超参数值与模型性能之间关系的概率模型，交替如下过程：使用最大化期望结果对应的超参数值进行训练，根据训练结果更新概率模型
- 优点：最高效的hand-off方法以选择超参数
- 缺点：从头开始难以实施、很难与现成的工具集成
结论
- 由于错误种类多，深度学习debugging困难
- 为了训练一个没有bug的深度学习模型，需要将构造模型看作一个迭代过程
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