CNN调参

本文探讨了卷积神经网络(CNN)的训练中关键的参数调优,重点关注学习率的选择和策略。介绍了Caffe框架中不同的学习率策略,如multistep、poly、exp、inv和sigmoid,以及防止过拟合的方法,包括dropout、正则化和数据增广。此外,还讨论了梯度消失和梯度爆炸的问题及其解决方案,并讲解了如何利用损失函数权重处理不平衡数据集。

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一、学习率

学习率决定了每步权重更新对当前权重的改变程度:

                                                                          w_{i}\leftarrow w_{i}-\eta \frac{\partial E}{\partial w_{i}}

其中E(w)为我们优化的损失函数,\eta是学习率。

学习率太小,更新速度慢;学习率过大,可能跨过最优解。因此,在刚开始训练,距离最优解较远时可以采用稍大的学习率,随着迭代次数增加,在逼近最优解的过程中,逐渐减小学习率。

在caffe的solver文件中,lr_policy不推荐fixed (保持base_lr不变),可以选择如下方案:

1、阶跃式的:

  • multistep: 根据后面设定的stepvalue,每次达到stepvalue,新的学习率变为之前的学习率*gamma,如
  • </
### MATLAB 中 CNN 的超参数调节方法与技巧 在 MATLAB 中,卷积神经网络(CNN)的性能很大程度上依赖于其超参数的选择。以下是对如何在 MATLAB 中进行 CNN 超参数调节的方法和技巧: #### 1. **选择合适的工具箱** MATLAB 提供了 Deep Learning Toolbox 来支持深度学习模型的设计、训练和评估。如果用户的英语水平有限,建议下载更高版本的 MATLAB,因为新版本通常会提供更多中文帮助文档和支持[^1]。 #### 2. **理解超参数的作用** 在调整超参数之前,必须清楚每个超参数的具体作用及其对模型的影响。例如,在 `trainNetwork` 函数中常用的超参数包括: - 学习率 (`InitialLearnRate`):初始的学习速率决定了权重更新的速度。 - 动量系数 (`Momentum`):用于加速梯度下降方向上的收敛速度。 - 批大小 (`MiniBatchSize`):每次迭代使用的样本数量。 - 正则化因子 (`L2Regularization`):防止过拟合的重要手段之一。 对于更复杂的场景,还可以考虑使用自适应学习率技术,这可以通过设置 `'Solver'` 参数为 `'adam'` 或其他优化算法来实现[^2]。 #### 3. **手动调整 vs 自动调参** ##### 手动调整 用户可以根据经验或实验逐步修改上述提到的关键超参数,并观察它们对验证集精度的影响。这种方法虽然耗时较长,但对于初学者来说是一个很好的实践机会。 ##### 自动调参 为了提高效率,MATLAB 还提供了 Bayesian Optimization 等自动调优功能。通过指定可变范围内的多个候选值,Bayesian Optimizer 将尝试寻找最优组合。启用此特性只需简单配置如下选项即可: ```matlab options = trainingOptions('sgdm', ... 'MaxEpochs', 30, ... 'ValidationData', validationSet, ... 'ValidationFrequency', 5, ... 'Verbose', false, ... 'Plots', 'training-progress',... 'OptimizeHyperparameters',{'InitialLearnRate','L2Regularization'},... 'HyperparameterOptimizationOptions',struct(... 'AcquisitionFunctionName','expected-improvement-plus',... 'ShowPlots',true,... 'MaxTime',60)); net = trainNetwork(trainingImages,layers,options); ``` #### 4. **利用预定义架构简化流程** 当面对特定任务如目标检测时,可以直接采用官方推荐的数据集及相应网络结构作为起点。比如针对遥感图像的目标识别问题,可以参考 DOTA 数据集中给出的标准做法[^4]。 #### 5. **结合经典控制理论改进效果** 除了纯粹依靠机器学习方法外,有时也可以引入传统工程领域里的思路来进行辅助调控。像 LQR 和 PID 控制策略就被成功应用于某些动态系统的建模当中[^5]。尽管这些概念最初并非专为 DL 设计而生,但在适当条件下仍能发挥意想不到的效果。 --- ### 示例代码片段 以下是基于 SGDM 求解器的一个基本 CNN 构造实例以及相应的超参数设定演示: ```matlab layers = [ imageInputLayer([28 28 1]) convolution2dLayer(5,20) batchNormalizationLayer reluLayer maxPooling2dLayer(2,'Stride',2) fullyConnectedLayer(10) softmaxLayer classificationLayer]; maxEpochs = 20; miniBatchSize = 128; options = trainingOptions('sgdm', ... 'InitialLearnRate', 0.01, ... % 初始学习率 'LearnRateSchedule', 'piecewise', ... % 分阶段降低学习率 'LearnRateDropFactor', 0.1, % 下降倍数 'LearnRateDropPeriod', 5, % 多少轮之后开始衰减 'MaxEpochs', maxEpochs, % 总共训练多少次 'MiniBatchSize', miniBatchSize, % 单批次处理图片数目 'Shuffle', 'every-epoch', % 是否打乱顺序 'ValidationData', imdsValidation, % 验证数据集合 'ValidationFrequency', 30, % 每隔几步做一次检验 'Plots', 'training-progress'); % 显示进度图表 % 开始训练过程 convnet = trainNetwork(imdsTrain, layers, options); ``` ---
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