2019 最新實戰！給程序員的 7 節深度學習必修課，最好還會 Python！

整理 | 琥珀

出品 | AI科技大本營

從 2017 年開始，fast.ai 創始人、數據科學家 Jeremy Howard 以每年一迭代的方式更新「針對編程者的深度學習課程」（Practical Deep Learning For Coders）。這場免費的課程可以教大家如何搭建最前沿的模型、了解深度學習的基礎知識。直到今年已經是第三個年頭了。

1 月 24 日，fast.ai 上線 2019 版深度學習新課程。據介紹，該課程 100% 全新，包括以前從未涵蓋過的深度學習入門課程，甚至其中某些技術成果還尚未發表學術論文。

如以往一樣，Jeremy Howard 公開了本次課程將涵蓋的所有細節內容。他表示，本次課程共有七節，每節課大約 2 小時，當然，預計完成課後作業的時間將有 10 小時。

課程將涉及的應用案例

本次課程設計關鍵應用包括：

計算機視覺（例如按品種分類寵物照片）

圖像分類

圖像定位（分割和激活圖）

圖像關鍵點

NLP（如電影評論情緒分析）

語言建模

文檔分類

表格數據（如銷售預測）

分類數據

連續數據

協作過濾（如電影推薦）

課程涵蓋的基礎

課程鏈接傳送：https://course.fast.ai

目標人群：至少有一年的編程經驗，且最好是 Python，fast.ai 還提供了Python 相關的學習資源

第 1 課：圖像分類

該系列課程第一課，是訓練一個能以最高精準度識別寵物品種的圖像分類器。其中，遷移學習的使用時本次課程的基礎。我們將了解如何分析模型，以了解其失效模型，或許還能發現，模型出錯的地方與育種專家犯了相同的錯誤。

訓練和分析寵物品種分類器

我們將討論課程的整體方法，這與先理論再實際應用的方式不同，課程旨在先進行實際應用再深入研究。

我們還將討論如何在訓練神經網路時設置最重要的超參數：學習率（這主要基於 Leslie Smith 的 learning rate finder）。最後，還會介紹「標籤」的問題，並了解 fast.ai 所提供的功能，如可以輕鬆將標籤添加到圖像中。

第 2 課：數據清洗與構建；梯度下降法（SGD）

本節課程將學習如何使用自己的數據構建圖像分類模型，主要包括以下幾方面：

圖像收集

並行下載

創建驗證集

數據清洗，通過模型找到數據問題

如下圖所示，我們可以創建一個可區分泰迪熊和灰熊任務的模型。

將模型投入生產

課程後半部分，將完整訓練一個較為簡單的模型，同時創建一個梯度下降循環。（註：在此過程中，將學習到很多新的術語，所以請確保做好筆記，因為在整個課程中都會引用這個新術語。）

第3課：數據塊；多標籤分類；分割

本節課開始將主要研究一個有趣的數據集，叫做 「Planet』s Understanding the Amazon from Space」。為了將這些數據轉化為模型需要的形式，將使用 fast.ai 工具之一的數據塊 API。

Planet 數據集的一個重要特徵是，它是一個多標籤數據集。也就是說，每個Planet 圖像可包含多個標籤，而之前看過的數據集，每個圖像只有一個標籤。此外，可能還需要對多標籤數據集進行修改。

圖像分割模型的結果

接下來的圖像分割，是一個標記圖像中每個像素的過程，其中一個類別顯示該像素描繪的對象類型。將使用與早期圖像分類類似的技術，所以不需要太多調整。

本課程中還會使用到 CamVid 數據集，該模型誤差遠低於在學術文獻中找到的任何模型。

假設：如果你的因變數是連續值而不是類別怎麼辦？我們將重點回答這個問題，查看關鍵點數據集，並構建一個精準預測面部關鍵點的模型。

第 4 課：NLP；表格數據；協同過濾；嵌入（Embeddings）

使用 IMDb 電影評論數據集深入研究自然語言處理（NLP）。在這項任務中，目標是預測電影評論是積極的還是消極的，這稱為「情緒分析」。此前，在 fast.ai 2018 課程里提到的 ULMFit 演算法，對 NLP 的發展起著重要作用。紐約時報曾報道：「新系統開始瓦解自然語言的代碼。」ULMFiT 被認為是當今最準確的情緒分析演算法。

基本步驟如下：

（首選）創建（或下載預訓練的）語言模型，該模型在大型語料庫（如維基百科）上訓練。（「語言模型」指的是學習預測句子下一個單詞的任意一種模型。）

使用目標語料庫（案例為 IMDb 電影評論）微調該語言模型。

在微調語言模型中刪除編碼器，並用分類器進行替換。然後對微調該模型以完成最終分類任務（情緒分類）。

在學習 NLP 的過程中，我們將通過覆蓋表格數據（如電子表格和資料庫表格）以及協作過濾（推薦系統）來完成使用的編碼器深度學習的實際應用。

對於表格數據，我們還將看到如何使用分類變數和連續變數，以及如何使用 fast.ai. tabular 模塊來設置和訓練模型。

在課程中期，我們主要研究了如何在每個關鍵應用領域中構建和解釋模型，包括：計算機視覺、NLP、表格數據、協同過濾等。

在課程的後半部分，我們將了解這些模型如何真正起作用、如何從頭開始創建的過程，會涉及以下幾部分：

激活

參數

圖層（仿射和非線性）

損失函數

第 5 課：反向傳播；加速SGD；構建神經網路

本節課程中，將所有的訓練融合在一起，以便討論反向傳播時準確理解發生了什麼，並利用這些只是從頭構建一個簡單的神經網路。

在這個過程中，可以看到嵌入層的權重，以找出模型從分類變數的中學到了什麼。

儘管嵌入在 NLP 的單詞嵌入環境中最廣為人知，但它們對一般的分類變數也同樣重要，例如表格數據或協同過濾。它們甚至可以與非神經模型一起使用並取得巨大成功。

第 6 課：正規化；卷積；數據倫理

本節課主要討論一些改進訓練和避免過度擬合的技術：

Dopout：在訓練期間隨機刪除激活，使模型正規化

數據增強：在訓練期間修改模型輸入，以便有效增加數據大小

批量標準化：調整模型的參數化，使損失表面更加平滑

單個圖像的數據增強示例

接下來，我們將學習有關卷積的所有內容，卷積可被視為矩陣乘法的一種變體，也是現代計算機視覺模型的核心操作基礎。

我們將創建一個類激活圖。這是一個熱圖，顯示圖像的哪些部分在進行與測試時最重要。

卷積如何運作

最後，我們還將提到：數據倫理。同學們將了解到模型出錯的一些方法，尤其是反饋循環，其原因以及如何避免這些問題。我們還將研究數據偏差可能導致偏向演算法的方式，並討論數據科學家可以而且應該提出的問題，以確保他們的工作不會導致意外的負面結果。

美國司法系統中演算法偏差的例子

第 7 課：構建 ResNet、U-Net；生成對抗網路

在最後一講中，我們將研究現代架構中最重要的技術之一：跳躍連接（skip connection）。跳躍連接是 ResNet 最重要的應用，其主要在課程中用於圖像分類，同樣它還是很多前沿成果的基石。

我們還將研究 U-Net 架構，使用不同類型的跳躍連接極大改善了分段結果。

ResNet跳躍連接對損失表面的影響

然後，使用 U-Net 架構來訓練超解析度模型。這是一種可以提高低質量圖像解析度的模型，該模型不僅會提高解析度，還會刪除 jpeg 圖片上偽跡和文本水印。

為了使我們的模型產生高質量的結果，需要創建一個自定義損失函數，其中包含特徵損失（也稱為感知損失）以及 gram 損失。這些技術可用於許多其他類型的 圖像生成模型，例如圖像著色。

使用特徵損失和 gram 損失的超解析度結果

我們將了解到一種稱為生成性對抗性損失（用於生成性對抗性網路 GAN）的損失函數，可以在某些情況下以犧牲速度為代價來提高生成模型的質量。

例如，上文提到的還未發表的一些論文中所涉及的應用：

利用遷移學習，更快更可靠地訓練 GAN

將架構創新和損失函數方法以前所未有的方式進行結合

結果令人驚嘆，只需要幾個短短几小時便可進行訓練（與以前需要幾天的方法相比）。

一個循環神經網路

最後，我們還將學到如何從頭開始創建遞歸神經網路（RNN）。實際上，RNN 不僅是整套課程中 NLP 應用的基礎模型，還被證明是規則的多層神經網路的一個簡單重構。

課前須知：

1、Google Cloud 和微軟 Azure 作為贊助方，已將課程所需的全部功能集成到基於 GPU 的平台上，並且提供「一鍵式」平台服務，如 Crestle 和Gradient 服務。

2、完成第一堂課後，學生可以在自己的數據上訓練圖像分類模型。整個上半部分重點是實用技術，僅展示在實踐中用到的技術相關理論知識；課程的後半部分，將深入研究理論。直到最後一節課，將學習構建和訓練一個 Resnet 的神經網路，以求接近最佳準確性。

3、 課程使用 PyTorch 庫進行教學，可更輕鬆訪問推薦的深度學習模型最佳實踐，同時也可以直接使用所有底層的 PyTorch 功能。

4、學習內容同樣適用於 TensorFlow/keras、CNTK、MXnet 或者任何其他深度學習庫的任何任務。

5、電腦需要連接到安裝了 fast.ai 庫的雲 GPU 供應商服務，或設置一個適合自己的 GPU。同時，還需要了解運行深度學習訓練的 Jupyter Notebook 環境的基礎知識。

6、課程筆記本提供了新的互動式 GUI，用於使用模型查找和修復錯誤標記或錯誤收集的圖像。

7、（強烈）建議學院參加該課程的在線社區。

【完】

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