深度学习中的不确定性量化

Question

https://ww2.mathworks.cn/help/deeplearning/ug/train-bayesian-neural-network.html?s_tid=srchtitle_TRAIN%20%20%20bnn_1

• 在采用上面链接中，mathworks中的例子训练贝叶斯神经网络，在训练过程中我遇到的问题

• 如何不实用例子中所用的网络，搭建自己的贝叶斯卷积神经网络呢?

• 更换数据集之后，应该调节哪些参数使得训练效果更佳?

Answer 1

我可以为您提供一些搭建自己的贝叶斯卷积神经网络并调节参数的步骤和建议。

步骤：

1.准备数据集：首先需要准备适合您任务的数据集，将其读入Matlab中。

2.网络架构设计：基于您的任务特点和数据集，选择适当的网络架构。对于卷积神经网络，可以采用一些流行的网络结构，例如LeNet, AlexNet, VGG等。

3.模型构建：使用Matlab中的Neural Network Toolbox搭建贝叶斯卷积神经网络。在构建模型时，可以根据需求添加各种类型的层，包括卷积、池化、全连接和Dropout等。

4.参数选择和训练：选择适当的参数进行训练，包括学习率、正则化系数、batch大小等。在调节参数的过程中，可以使用交叉验证来得到最优参数。

5.模型评估和测试：使用训练集和测试集对模型进行评估和测试，并根据需要进行调整。

建议：

1.选择合适的数据集：对于不同任务，选择适合的数据集很重要。可以使用公共数据集，如MNIST, CIFAR, ImageNet等，也可以使用自己的数据集。

2.合适的网络架构：选择合适的网络架构有助于提高模型的性能和训练效果。可以从已有的网络中借鉴，也可以根据自己的经验进行设计。

3.调节参数：调节参数是提高模型性能的关键。可以使用Matlab中的优化工具箱来自动化地选择最优参数。

4.数据预处理：对输入数据进行预处理是建立高效模型的先决条件。可以进行归一化、标准化、去噪等操作。

5.模型的解释性：贝叶斯神经网络可以为模型的解释增加一些内容。了解贝叶斯网络的训练过程和原理对模型的性能优化很有帮助。

以下是一个搭建贝叶斯卷积神经网络并进行训练的基本代码：

% load data
[XTrain,YTrain] = digitTrain4DArrayData;
XTrain = single(XTrain);
YTrain = categorical(YTrain);

% define network architecture
layers = [
    imageInputLayer([28 28 1])

    convolution2dLayer(5,32,'Padding',[2 2],'Name','conv1')
    batchNormalizationLayer('Name','BN1')
    reluLayer('Name','relu1')

    maxPooling2dLayer(2,'Stride',2,'Name','pool1')

    convolution2dLayer(5,64,'Padding',[2 2],'Name','conv2')
    batchNormalizationLayer('Name','BN2')
    reluLayer('Name','relu2')

    maxPooling2dLayer(2,'Stride',2,'Name','pool2')

    dropoutLayer(0.5,'Name','dropout')

    fullyConnectedLayer(10,'Name','fc')
    softmaxLayer('Name','softmax')
    classificationLayer('Name','output')];

% set Bayesian parameters
opts = trainingOptions('sgdm', ... % specify optimizer
    'InitialLearnRate',0.01, ...   % set initial learning rate
    'LearnRateSchedule','piecewise', ...
    'LearnRateDropFactor',0.1, ...
    'LearnRateDropPeriod',4, ...   % drop the learning rate every n epochs
    'MaxEpochs',20, ...            % set maximum number of epochs
    'MiniBatchSize',128, ...       % set mini-batch size
    'Verbose',false, ...
    'Plots','training-progress', ...
    'ExecutionEnvironment','cpu', ...
    'BayesianOptimization','yes', ...   % specify to use Bayesian optimization for hyperparameter tuning
    'GradientThreshold',1, ...
    'ValidationData',{XTest,YTest}, ...
    'ValidationFrequency',30, ...
    'ValidationPatience',Inf, ...
    'ValidationThreshold',inf);     % specify early stopping with validation set, set parameters according to data

% train the model
net = trainNetwork(XTrain,YTrain,layers,opts);

% test the model
[XTest,YTest] = digitTest4DArrayData;
XTest = single(XTest);
YTest = categorical(YTest);

YPred = classify(net,XTest);

accuracy = sum(YPred == YTest)/numel(YTest);
fprintf("The test accuracy is %f%% \n",accuracy*100)

上述代码使用了一个名为“digitTrain4DArrayData”的预定义数据集（包含数字图像和标签），并定义了一个简单的卷积神经网络。其中，“dropouotLayer”是用来防止过拟合的技术。在选择Bayesian优化器时，可以更好地调整超参数，提高模型性能。