Transfer learning 初體驗

不曉得你有沒有想過比起其他食物鏈頂端的其他生物，為何只有人類可以發展高度文明，甚至可以航向宇宙星辰？答案就是典範移轉！本文將會介紹在AI的世界了如何應用這個技術，用最短的時間與最小的資料集，訓練出不錯的AI模型…

前言：
有朋友問我「台灣的中小企業佔了 95%，大家都養不起資料科學家，隨著 AI 的技術愈來愈成熟，難道沒有更容易讓AI普及的方法嗎？」就像你想切入汽車市場，在汽車工業這麼發達的現今，應該不需要從做輪子開始吧？不然純電動車的特斯拉，是怎麼橫空出世的？
其實這個問題，不好回答，但在我心中有三種腳本的答案，方案一叫 Auto ML，要服務的對象是有錢人家的公子爺們；方案二叫AI gallery，是有GPU的開發團隊；方案三叫Transfer Learning，是有RD團隊。
在 Azure Auto ML的解決方案裡，只要你有明確的題目與資料集，完全不需要管 AI流程中的資料整理、特徵工程、演算法選擇、超參數調整…等細節(如果對完整的 AI流程不熟悉可以參考這一篇)，就能在 Portal 上輕鬆的一鍵生成模型。因為，雲端平台會在背後以暴力法，高併發的方式幫你嚐試各種排列組合，然後你就可以看報表，決定你要用哪個模型？
在 Azure AI Gallery解決方案裡，除了你需要有明確的題目與資料集之外，你需要對完整的 AI流程有一些概念。因為當你用分類索引的瀏覽或是關鍵字搜尋到適合你的 AI template之後，你還需要有 Azure 訂閱，才能開啟 AI 範本，把資料來源置換成你的 Data set，對流程內的細節以拖拉點選的方案，才能像個花匠一樣修枝潤飾，完成調整超參數或是損失函式選擇的相關動作。
如果上述還不能滿足你，在微軟廣大的AI 生態系中還有 ML.Net, DataBricks …多種解決方案中，除了你需要有明確的題目與資料集之外，你還需要對完整的 AI流程有熟練的規劃與操作能力，並知道 Transfer learning 的原理與運用的方法，例如你要下載由學界知名資料集(Coco, ImageNet…)所訓練出來的模型集(多大規模的模型，例如 ResNet50/101/152…)，是要遷移全部 Layer的參數，還是部份 Layer？  

何謂遷移式學習？
不曉得你有沒有這樣的經驗，要教一個女生學會騎機車，可以先教她騎腳踏車？在學術界，是先由心理學家投入這樣的研究，接著資訊科學家，開啟了依據遷移的情境(Scenario)、方法(Method)、特徵空間(Feature space)的專門研究，
若你要我下一個定義，就像人類可以舉一反三，只要讓AI 看過足夠的 data，學會低維/中維/高維的 Pattern，它除了可以處理好當前的題目，甚至也可以透過典範移轉的方式，將參數移花接木至另一個 AI模型，處理不同的題目。
在遷移式學習的框架中，由上而下，分別是：Domain, Task,  Label, Class，可以是單純的問題；也可以是複雜的問題 Multi-task (例如將貓狗分類器與老虎大象分類器一起訓練)/ Multi-label (例如油電混合車，同時標記被標記汽油車 & 電動車二個 Label)/ Multi-class (例如油電混合車，他同時會預測為汽油車 & 電動車二個分類)的分類問題，透過 shared representation(家貓與老虎都是貓科，資訊可以共享) 一起訓練，來達到省時省力的高效成果。

台大的李宏毅教授就曾經舉過這樣的例子：有一個高手學生，應用了學術界知名影像資料集，做出了貓狗分類器，完成了期中作業並且得到高分。接下來老師又出了期末的作業，他運氣很好！被分到相似的貓狗分類題目，只不過這次的資料集被換成卡通的，於是他透過 Pre-train & Fine tuning 手法，將前一個 AI模型的參數移轉給新的 AI模型，輕易地完成高飛狗(Goofy)與招財貓的辨識，這個叫 Different domain, same task。高手喜歡幫助異性，於是他改了一下程式，也成功地完成女同學被分到的非洲大草原上的大象與老虎的分類器，這個叫 Same domain, different task。
總之，李教授總結了最近國內外的傑出學者的研究成果，依據 Source 的 Data 有標記/無標記，使用與Target 的 data 有標記/無標記，橫跨了監督式/非監督式學習在四個象限中共有數種因應的方法：

1. Fine tuning：以CNN應用在影像辨識為例，指的是凍結前幾層Layer 參數，只讓此次新的 Data 參與後幾層Layer 的訓練。你可能會問說為何只固定前面幾層？是因為 CNN的學習是有層次的，是由點、線、面慢慢學起來的，不管是辨識動物、植物、礦物，底層都是相同的，要到高階理解時，辨識動物才能用眼睛這種中階物件來區分不同的動物。或者，你可以理解成，我們需要曾經去蹲過少林寺的苦行僧小孩，接著再教他最時尚的高難度動作，然後你就可以開賣太陽馬戲團的票，開心的數鈔票了。
2. Multitask learning：顧名思義，MTL就是把多個相關的任務，一起做訓練。在目前大多的 AI應用中，多半都是採用了 Single task 來處理問題。也就是將原本複雜的問題拆解為簡單而相互獨立的子問題，然後再合併其結果，試圖解決複雜的問題。看似合理，卻存在你無法保證獨立子問題彼此不存在不可切割的未爆彈，為此還有一支透過共享中間資訊，專門在處理複雜問題的分支。剛才有提到，又可以細分為多任務、一個物件被標記為多個類別、一個物件被預測為多個類別…
   在模型的設計上，則會依據 MTL的 similarity相似性, relationship關聯性, hierrarchy階層關係, benefit效益，分別去選擇 Fully-Adaptive Feature Sharing、Cross-stitch Networks、Low supervision、A Joint Many-task Model、Weighting losses with uncertainty、Tensor factorisation for MTL、Sluice Networks…不同的架構
3. Domain-adversarial training：以模型來看，它屬於 Domain-Adversarial Training of Neural Networks (DANN)類型，是用在解決監督式學習遇到沒有 Label 的 Data 的問題。它的原理是應用了生成對抗網路 GAN(常被用在知名電影、三級片、Kuso新聞上變臉的演算法)的手法，來解決 source domain 有 label 但是 target domain 沒有 label 的狀況。但是，在實務中 GAN的本質中，除了需要耗費較多的 GPU成本，在中間調校超參數時也不是那麼直覺且容易的，所以，會被我歸在有錢人的方案。 
4. Zero-shot learning：目前 ZSL已成功的應用在影像分類、物件偵測、影像生成、語義分類、NLP…等範疇中。在一開始，我就提到過，人類能運用推理來舉一反三，在不需要看過所有生物的情況下，能夠正確地區分出外星人與地球生物的不同。人類，甚至也能將一些分類結果做累加，例如能分辨生物與非生物；能分辨水中、陸地、天上生物，能分辨四足、直立、爬行的陸地生物；就能區分出人類與其他生物的不同。同理，ZSL可以直接對上述的三個分類器透過 Knowledge transfer 的手法，在不需要準備人類照片，就能訓練出一個人類分類器。只要你沒有遇上 domain shift problem, bubness problem, semantic gap 三個罩門。
5. Self-taught learning：又稱為 Soft-taught learning，主要是透過非監督式學習來學會特徵值的抽取，然後再將成果繼續用在監督式學習，來解決手邊是沒有 Label 過的 Data問題。例如在Andrew Ng 大師的經典示範中，經過測試在 Minst 手寫數字辨識問題上，原先6分鐘可以達到 95%左右的水準，再加入了 Self-taught learning 手法重新訓練，經過了30分鐘的時間，可以再拉高至 98%。這個範例是先將0~9 切分成 0~4是 LabledSet；5~9是 UnlabledSet故意拿掉。然而在實務上，當你的 Labled 資料很少，就可以去買，如果嫌貴，就去網路上爬蟲，然後配合這個方法來實作。
6. Self-taught clustering：基礎於非監督學習中的 Clustering 分群(類聚)，這個方法的要求是 Source data 一定要比 Target data 多很多，一但 Source data 足以生成有效的 clusting 時，才能把這個成果移轉到 Target 然後再用 unlabeled 的 data 進行分群

挑戰與回應：

1. 要解決的問題：在醫學的應用中，罕見疾病發生的機率就不高了，許多醫師也是在學校學過，真正在臨床遇到時才在書上、網路上找資料來協助判斷當前的病患是否確診？同理，佔台灣最大宗的製造業，在做良率檢驗時，如果遇上了瑕疵的 data 量太少，或是正常與瑕疵的量不成比例，不是透過 Data augumentation(正規化、白化、影像處理) 或是增/減 Data 可以解決的。
   註：所謂的影像處理，指的是放大、縮小、裁切偏移、翻轉，甚至是改變比例尺寸、亮度色溫等…手法
2. 相同的問題：在傳統的ML中，訓練與測試資料集需要來自於相同的 feature space 特徵空間，換句話說你不能拿國中數學去訓練模型，然後拿高中數學去測試它。因為這二個資料集的 Domain可能是不同的，說的更精準些是 feature space & probability 可能會一樣，但也可能是不一樣；或者是這二個資料集的 Task 可能是不同的，說的更精準些是 label space 標記空間 & object predictive function 目標預測函式 可能會一樣，但也可能是不一樣。同理，除了模型在初始生成有這樣的問題需要被考慮，隨著時空推移，因為主客觀環境的變化，將會出現 Model update 的狀態。就像一份考古題不可能永遠有效，需要被更新… 
3. 為了解決上述的問題，遷移式學習透過了Source & Target 在 instance 樣本、feature 特徵、parameter 參數、relation 關係…等移轉的手法讓 ML可以與時俱進，更加成熟地解決更多的挑戰。尤其是遇到愈來愈難取得個資的現代 Data set 取得挑戰，或是 Covid-19 影響人類的生活習慣讓之前已經生成好的模型，除了重新收集 data 並重新訓練之外，也有其他比較省時省力的作法…

實作：
既然是初體驗，我們就從 Fine tuning開始，以下的範例我將採用 Keras的 Applications API，以近300張15個類別的建築物辨識題目，來做遷移式學習的 demo。但礙於篇幅有限，就不再贅述 Python code 中載入函式庫、調整GPU參數、讀取圖片、前處理，直接幫大家劃重點在 Transfer learning的細節(下面的理論圖解我是取自人工智慧學校 AIA的文章)

1. 載入 Pre-trained Model：

不管在什麼時代，站在巨人的肩膀一直都是相當直觀且高效的作法，2006年李飛飛教授所創立的 Imagenet，經過多年的累積，已經超過了1400萬張照片(Multiple labeled)，被分類在2萬個類別，十多年來這個 Image recognition題目的武林大會，吸引了多少的全球知名的學者、高手，一直到科技巨擘都躬逢其盛，讓 AI在影像辨識可以落地到民生的應用(例如，大約五年前當辨識率達到 95%台灣的大部份停車場都開始採用，來節省人力，加速車輛通過的時間)

我們來看一下程式碼的部份：目前 Keras已經提供了25個武林大會中得名的模型，故，我載入了入門的16層的 VGG16，並且透過 Weights = ‘imagenet’ 來得到高手的參數值，include_top = false 在模型的最左邊(全連接層)中，當我要換成自己的圖片，就要這樣設定。接著，就是標準的 CNN 模型設定，細節可以參考之前的文章。用 summary() 預覽一下模型的樣貌與參數數量
其中有一個 Flatten() 是在建CCN模型中，常用於尾聲要把 Convolution 卷積層再接到全連接層，要做 Softmax 預測時的一個手法過程… 

2. 決定 Pre-Train 參數量：

我們要捲起袖子進行凍結參數的動作，在開始之前，要先知道一個穩定的模型其 Learning rate已經達到最佳化了，重新訓練時會有 over fiting的風險。在下圖中，你可以看到CNN在低階層(左邊)時，還在學習點、線、邊緣…這個嬰兒級的常識，到了高階層(右邊)時，才能學習許多小物件併湊出來的的生物或物體。
依據 Source/ Target 資料集的相似度，你有以下的選擇：
A. 如果你的資料集並不大，當二個資料集比較相似時，只需遷移高階層的參數，以微調的方式，讓 Learning rate 控制在比較小；同理，當二個資料集比較不相似時，也只需要遷移低階層的參數，即可。
B. 如果你的資料集夠大，如果二個資料集比較相似時，你可以將 Pre-Train 模型的權重當作起始值，全部再訓練過一次，只是 Learning rate 比較大；如果二個資料集比較不相似時，你可以略過 Pre-Train model 自己來

以本文的案例來說，由於 Source/Target 的資料集相似，所以我就凍結大部份的模型，只重新訓練高階層的 3層，先設定 trainable = True，trainable_layer = 3，然後再用一個廻圈將其他階層凍結起來。最後，再印出來檢查一下…然後把其他模型訓練的超參數設定好，就準備要開始訓練了

3. 開始訓練模型：

有了遷移式學習，只要經過10個 Epoches 正確率就可以達到 95%

4. 視覺化訓練的結果：

接著我們就拿出近300筆的測試資料來驗證我們的模型吧！

畫出訓練與測試階段的比較折線圖

接著，再透過傳統與 Seaborn的混淆矩陣，了解測試時的錯誤分佈

Seaborn 的視覺化呈現效果好，適合拿來做報告

未來展望：
除了 Transfer learning之外，還有一個 Knowledge distillation 可以將具有眾多參數的大型 AI 模型，抽出精華，對小型的 AI模型做典範移轉。這裡有二個層面需要考量，一個是 AI如何落地？一個是如何因才施教？前者是，不可能隨時能夠搬一個 GPU 機櫃在路上走，或是你的產品內建有 Wifi 或是 5G行動上網能力，可以連結到雲端大型的 AI模型。後者是，當你的兒子終於過了強褓階段要上幼稚園，在他人生第一次的上學的經典斷捨離場景中，你找一個大學教授來教育你的寶貝，由於教授並不擅長處理一哭二鬧三上吊的小小孩反應。還不如找一個三十初頭的幼稚園主任，來的適合。因為像是 GPT-2 這種擁有上億參數等級的獨角獸大模型，你是很難直接放在你的手機中，會需要像是知識蒸餾這類的手法，才能成功落地的。將來有機會再來介紹給各位…

發佈日期 : 2021-03-04
本文經合作夥伴 授權轉載自 Transfer learning 初體驗 (Christian Lee)