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迁移学习：共享AI智慧的途径

作者：高焕堂时间：2020-03-03来源：电子产品世界

高焕堂（台湾VR产业联盟主席，厦门VR/AR协会荣誉会长兼顾问）

0 引言

迁移学习(Transfer Learning)就像俗称的“拿来主义”，善用别人已经训练好模型的参数(智慧)，引入到自己的模型里，可以迅速建立1个AI的应用情境。本文以ResNet50为例，说明如何复用(Reuse)已经训练好的 ResNet50的智慧(模型和参数)，帮您瞬间探索任何一张图像的特征(Feature)，然后帮您识别出图片里的人或物的种类，如水牛、斑马、猫头鹰或汽车等。

1 认识迁移学习：以ResNet50为例

AI的智慧是来自机器的自我学习，通称为机器学习。它经常需要借助大量的数据来训练。例如， ResNet50就使用100多万张图像而训练出来的。在训练的过程中，它去探索每张图像中的特称，并且学习归纳和分类。目前的ResNet50可以准确地识别出1000种人或物，如日常生活中常遇到的狗、猫、食物、汽车和各种家居物品等。例如，您可以随意从百度图片上截取一张224x224大小的图片，如图1。

微信截图_20200306112121.png

当您把这图片提交给ResNet50，它会瞬间探索并进行分类，然后告诉您：我预测这是大熊猫（Giant panda）。

2 介绍ResNet50模型的结构

目前最常见的AI图像识别模型是：卷积网路(CNN) 模型。这ResNet50就是基于CNN的模型，如图2。

微信截图_20200306112148.png

其中，CNN模型包含两部分：卷积层(Convolution Layers)与全连接层(Full-Connected Layers)。前者我特别称之为丫鬟部分；而后者则称之为格格部分^[1-2]，如图3。

微信截图_20200306112207.png

Conv部分比较复杂，共约有40个层；而FC部分约有10个层。所以称之为ResNet50模型。

3 复用ResNet50智慧的方法

典型的复用(Reuse)步骤如下。

1）撰写Python程式来建立一个ResNet50模型。您可以从网路下载此Python程式的源码来做修改。网址为：

https://github.com/fchollet/deep-learning-models/ releases/

如图4的绿色框部分：

微信截图_20200306112229.png

2）从网络下载已经训练好的模型参数(智慧)。例如，图4里的红色框部分。包含2个档案(下文详细说明)。

3）把所下载的模型参数档案内容载入您刚才建立的ResNet50模型里。

经由这3个步骤，就把别人已经训练(学习)好的模型参数，顺利地迁移(Transfer)到您自己建立的模型里了。

4 新潮方法：使用Excel把ResNet50模型包装起来

4.1 准备执行环境(不需要编程)

使用Excel来包装Python程式，可以让许多不熟悉编程者，来轻易地使用AI的各种应用情境。只要您的电脑上安装有Excel和Python的相关套件(如TensorFlow、 Keras等)就能够执行基于Excel＋Python的AI模板 (Template)了。至于这项执行环境的安装指南，可以参阅笔者的博客：https://www.cnblogs.com/SmartADT/。

安装好了执行环境，就可以从上述网页里下载两个模板：jjt18.zip，依据说明文件复制到您的环境里，然后就可以执行了。 4.2 开始执行jjt18模板

首先，把这张图像放在图5里。

微信截图_20200306112245.png

准备把c:/oopc/im001pd.pg图像提交给ResNet50去探索和分类。接着，请您开启Python程式：jjt18.py。画面上就出现了预先写好的Python程式：

微信截图_20200306112306.png

然后执行这个程式，就呈现出Excel画面：

请按下“Predict”按钮，这Excel背后的ResNet50就展开瞬间探索这张像并进行分类，然后输出如下：

它告诉您了：我预测99%的可能性是大熊猫(Giant panda)。

5 仅复用丫鬟，训练自己的格格

5.1 说明由于ResNet50是典型的CNN模型，包含卷积层与 FC层。在上一节里，使用Excel画面来操作ResNet50，并复用了全部(卷积层与FC层)的权重，就不必重新训练，而直接用来辨别图像里的东西。在本节里，就来介绍另一种用法：只复用它的卷积层(丫鬟)部分，而不复用FC层(格格)部分的权重。也就是，要自己来训练FC层 (格格)部分。

在CNN 模型(如ResNet50)里，丫鬟部分负责探索像的特征，然后把这些特征值交给格格，让格格(依据特征值)来分辨出种类。例如，丫鬟看到一张图片里的动物特征是：身体黑白条纹、4只脚，然后格格就依据这特征而判断这很可能是一匹斑马。

虽然ResNet50里的格格已经有智慧来进行图像分类 (Classification)了，而且可以辨识1000种日常生活中的人或物。然而，在一些较狭窄的应用场域里，只需要 (更准确)辨识较少的种类时，就需要训练自己的格格。

刚才提到了，有些场合需要重新训练格格来分类，但是丫鬟具有的探索像特征的智慧，却可以复用之。亦即，能借助于ResNet50的丫鬟(即卷积部分)的智慧，帮忙探索我的图片，来协助训练新的格格。一旦新格格训练好了之后，ResNet50原有的丫鬟就能和新格格协同合作，来更精确地区分特定的数据(图片)集了。由于不必重新训练丫鬟部分，就能节约许多训练(丫鬟的)时间。

5.2 准备数据，来训练新格格

兹拿一个较狭小的应用场域，只需要格格来分辨 3个种类：斑马、猫头鹰和蘑菇。于是，笔者在/oopc/ v_data/train/文件夹里，准备了150张图片(皆为224 x 224)，包括50张斑马、50张猫头鹰、以及50张蘑菇的图片。将它们分别放在这3个小文件夹里：

微信截图_20200306112411.png