使用PyTorch實現遷移學習

一、什麼是遷移學習

遷移學習（Transfer learning）是指將已經訓練好的模型應用於不同的數據集或任務上，從而加快模型的訓練和提高模型的泛化能力。簡單來說，就是把別人已經訓練好的模型拿來用。當我們需要解決一個新問題時，如果數據集不夠大，訓練一個模型需要大量的計算資源和時間，這時候我們可以使用遷移學習，利用已經訓練好的模型，進行微調或者修改，以適用於新的問題。

二、PyTorch中的遷移學習

PyTorch是一種常用的深度學習框架，支持多種模型的遷移學習，包括VGG、ResNet、Inception等等。在PyTorch中，可以將預訓練好的模型載入到內存中，然後在此基礎上進行微調，以適應新的問題。

三、使用PyTorch進行遷移學習的步驟

使用PyTorch進行遷移學習，需要進行以下步驟：

1. 載入預訓練好的模型

PyTorch中已經預先訓練好了一些常用的模型，可以直接下載並載入到內存中。例如，我們可以使用以下代碼來下載ResNet-18模型：

import torch.utils.model_zoo as model_zoo
import torch.nn as nn

model_urls = {
   'resnet18': 'https://download.pytorch.org/models/resnet18-5c106cde.pth'
}

class ResNet18(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=1000):
        super(ResNet18, self).__init__()
        self.resnet = models.resnet18(pretrained=False)
        self.num_ftrs = self.resnet.fc.in_features
        self.resnet.fc = nn.Linear(self.num_ftrs, num_classes)

model = ResNet18(num_classes=10)

model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_urls['resnet18']))

在此基礎上，我們可以修改模型的最後一層，以適應新的問題。

2. 修改模型

在載入預訓練好的模型後，我們需要修改模型的最後一層，以適應新的問題。例如，如果我們要對CIFAR-10數據集進行分類，可以將模型的最後一層修改為包含10個輸出節點的全連接層。

model = ResNet18(num_classes=10)

model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_urls['resnet18']))

num_ftrs = model.resnet.fc.in_features
model.resnet.fc = nn.Linear(num_ftrs, 10)

在此步驟中，我們需要注意不要修改原有的卷積層，以免丟失原有的特徵信息。

3. 定義損失函數和優化器

在修改完模型之後，我們需要定義損失函數和優化器。在PyTorch中，常用的損失函數有交叉熵損失、均方誤差損失等等。優化器則有Adam、SGD等等。例如，我們可以使用以下代碼來定義損失函數和優化器：

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

4. 訓練模型

在完成上述步驟之後，我們可以開始訓練模型。在訓練模型時，我們需要將數據集按照批次進行分割，然後依次將每個批次輸入到模型中進行訓練。訓練時，我們需要定義一個循環，用來依次輸入每個批次的數據，並根據損失函數來計算模型的損失值。在計算完損失值之後，我們需要使用優化器來更新模型的參數。例如，以下是一個基本的訓練循環：

for epoch in range(num_epochs):
    for i, (inputs, labels) in enumerate(train_loader):
        # 將輸入數據和標籤轉換為張量並將其發送到設備
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 將模型的梯度歸零
        optimizer.zero_grad()

        # 前向傳播
        outputs = model(inputs)

        # 計算損失
        loss = criterion(outputs, labels)

        # 反向傳播
        loss.backward()

        # 更新模型參數
        optimizer.step()

5. 測試模型

在訓練模型之後，我們需要對模型進行測試，以檢查模型在新數據上的表現。測試時，我們需要將測試數據輸入到模型中，並計算出模型的準確率。例如，以下是一個基本的測試循環：

correct = 0
total = 0

with torch.no_grad():
    for data in test_loader:
        images, labels = data
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

accuracy = 100 * correct / total
print('Accuracy of the network on the test images: %d %%' % (accuracy))

四、總結

通過上述步驟，我們可以在PyTorch中很容易地實現遷移學習。遷移學習可以加快模型的訓練速度，提高模型的泛化能力，是深度學習中常用的技術之一。