深度学习——超参数调优

灬0灬灬0灬2025-05-26 11:09

第一部分：什么是超参数？为什么要调优？

一、参数 vs 超参数（Parameter vs Hyperparameter）

类型 定义 举例 是否通过训练自动学习？
参数（Parameter） 是模型在训练过程中通过反向传播自动学习到的变量 权重（Weights）、偏置（Biases） 是
超参数（Hyperparameter） 是在训练开始前由人工指定的控制模型结构或训练方式的变量 学习率、Batch Size、网络层数等 否

一句话理解：

参数是模型自动"学"的，超参数是你手动"设"的。

二、为什么超参数调优如此重要？

超参数对训练过程的影响巨大。一个合理的超参数组合可能让模型快速收敛、泛化能力强；而不合适的设置可能导致：

  • 模型不收敛

  • 过拟合 或欠拟合

  • 训练速度极慢

  • 浪费大量资源与时间

举例说明：

  • 学习率太大 ➜ loss 震荡甚至发散

  • 学习率太小 ➜ loss 降得极慢，浪费时间

  • 网络太深 ➜ 训练困难，可能过拟合

  • Batch Size 太小 ➜ 收敛不稳定；太大 ➜ 内存吃紧

三、超参数调优的目标

调优的目标是找到一组最优超参数组合 ，使得模型在验证集上表现最优（即泛化能力强），而不是仅仅在训练集上表现好。

评估标准可能包括：

  • Accuracy（分类任务）

  • mIoU、Dice（分割任务）

  • Loss 曲线收敛速度

  • 参数/资源效率（比如在一定内存限制下的最好结果）

四、超参数分类示意图

复制代码 
                    超参数
                       │
  ┌────────────────────┼─────────────────────┐
  │                    │                     │
模型结构超参数     优化器超参数       训练过程超参数
（例如层数、宽度） （例如学习率、动量） （例如BatchSize、Epoch）

五、为什么不能"一次性设好"？

  1. 模型复杂非线性：超参数之间有复杂的相互作用（例如：Batch Size 和学习率不是独立的）。

  2. 任务差异：不同任务需要的超参数不同，例如图像分类 vs 图像分割。

  3. 数据集变化：数据大小、类别不均衡性都会影响超参数效果。

  4. 计算资源限制：硬件条件约束下无法盲目使用大模型、大Batch。

六、小结

重点回顾
参数是学出来的，超参数是设出来的
不同超参数影响训练不同方面（结构、优化、效率）
超参数调优的目标是提升模型泛化性能
一个合理的超参数组合可能带来质变的性能提升

第二部分：常见的超参数类型

深度学习中涉及大量超参数，我们可以从三个维度来进行分类讲解：

分类维度 包含超参数
模型结构相关 网络层数、每层宽度、激活函数等
优化器相关 学习率、动量、权重衰减、调度器等
训练过程相关 Batch Size、Epoch、Dropout、正则化等

一、模型结构相关超参数

网络层数（Depth）

  • 定义：网络的"深度"，即堆叠了多少层神经网络。

  • 作用：

    • 更深的网络可以学习更复杂的特征。

    • 但过深会引发梯度消失/爆炸问题，训练困难。

  • 经验：

    • 小数据集或简单任务，浅网络（如3~5层）更稳妥。

    • 大数据集（如ImageNet）上可以使用 ResNet50/101 等深层网络。

  • 技巧：

    • 使用残差连接（ResNet）来训练更深的模型。

    • 在医学图像中，U-Net 结构的深度一般设置在4~5层左右。

每层宽度（Width）

  • 定义：每一层神经元（或卷积通道）的数量。

  • 影响：

    • 控制模型的表达能力。

    • 太少容易欠拟合，太多可能过拟合且计算成本大。

  • 经验调节：

    • 卷积神经网络中，宽度通常从浅层的 64 逐渐加倍（如 64→128→256）。

    • 分类问题中，全连接层常用如 512、1024 等神经元。

激活函数（Activation Function）

  • 常见选项：

    • ReLU：目前最常用，简单高效。

    • Leaky ReLU / PReLU：解决 ReLU 死亡问题。

    • Sigmoid：饱和慢，较少使用。

    • Tanh：比 Sigmoid 好些，但仍有梯度问题。

  • 实践建议：

    • 默认使用 ReLU 或 Leaky ReLU。

    • 对于输出层：

      • 分类：Softmax（多类），Sigmoid（二分类）

      • 分割：Sigmoid（二类掩膜），Softmax（多类掩膜）

二、优化器相关超参数

学习率（Learning Rate）

  • 训练中最关键的超参数，影响每一步参数更新的"幅度"。

  • 通常是调优的第一优先项。

  • 值设得不合适可能：

    • 太小 → 训练慢，陷入局部最优；

    • 太大 → Loss 震荡甚至发散。

  • 典型值：

    • SGD：1e-2 ~ 1e-3

    • Adam：1e-3 ~ 1e-4

  • 建议：

    • 使用学习率调度器（如StepLR、CosineAnnealing）。
动量（Momentum / β1 / β2）

  • 用于平滑梯度更新，防止震荡。

  • 在不同优化器中的形式：

    • SGD + Momentum：动量系数通常为 0.9。

    • Adam：β1 一般为 0.9，β2 一般为 0.999。

  • 不建议轻易更改，除非你很熟悉优化器行为。

权重衰减（Weight Decay / L2 正则化）

  • 作用：防止过拟合，引入对权重大小的惩罚项。

  • 常设值：1e-5 ~ 1e-4。

  • 默认建议加上，可以提高泛化能力。

学习率调度器（LR Scheduler）

  • 作用：在训练过程中动态调整学习率。

  • 常用策略：

    • StepLR: 每隔N个epoch乘以一个γ

    • CosineAnnealingLR: 余弦退火

    • ReduceLROnPlateau: 根据验证集Loss下降情况自动调整

  • 建议：

    • 推荐使用 CosineAnnealingLR + warmup 起步。

三、训练过程相关超参数

Batch Size

  • 决定每次梯度更新使用多少样本。

  • 大小影响：

    • 小 Batch（如 16、32）：更噪声，收敛稳定性差但泛化强。

    • 大 Batch（如 128+）：训练快但容易过拟合。

  • 实践建议：

    • 根据显存能力尽量调大，但通常不超过 256。

    • 注意学习率要跟 Batch Size 协调调整（比如大 Batch → 可增大学习率）。

Epoch 数

  • 控制整个数据集被"看过"的轮数。

  • 太小 → 欠拟合，太大 → 过拟合。

  • 通常结合 EarlyStopping 或验证集监控动态决定训练时长。

Dropout 比例

  • 防止过拟合的一种策略。

  • 建议值：0.3 ~ 0.5（不要超过0.7）

  • 不建议在卷积层用 Dropout（会破坏局部特征结构），常用于全连接层。

正则化强度（L1 / L2）

  • L2（权重衰减）更常见，L1 可用于稀疏建模。

  • 多数情况下，设置一个小的 L2（如1e-4）即可。

四、数据增强和预处理相关超参数

  • 例如图像翻转概率、亮度变化范围、裁剪尺寸等。

  • 合适的数据增强不仅能提升泛化能力，还能防止过拟合。

  • 医学图像中，增强不能过强，要考虑语义一致性。

小结

超参数类别 推荐调优顺序
学习率 最重要，优先调
Batch Size 次优先，影响显存
网络结构 先简单→复杂，逐步加深
Dropout / 正则化 防过拟合常用手段
LR Scheduler 搭配学习率共同调整

第三部分：超参数调优方法论（策略、流程与工具）

一、手动调参的经典策略（适合初期模型开发）

原则：单变量控制 + 分阶段调优

不要一次改多个超参数。保持其他不变，逐个尝试，观察其对训练过程和验证集效果的影响。

推荐调优顺序：
步骤 优先级 超参数类型 说明
① 高 学习率 首先确定模型是否能正常收敛
② 高 Batch Size 尽可能大，但不爆显存为宜
③ 中 优化器选择 如 Adam、SGD+Momentum
④ 中 LR Scheduler 控制收敛速度和效果
⑤ 低 网络结构 小到大试试（层数/通道数）
⑥ 低 Dropout、正则化 控制过拟合
实战技巧举例：

  • 判断学习率设得好不好：

    • Loss 快速下降 → ✅

    • Loss 抖动大或直接发散 → 学习率太大 ❌

    • Loss 降得慢、像"爬坡"一样缓慢 → 学习率太小 ❌

  • 调整 Batch Size 后需要改学习率！

    • 经验公式：

二、网格搜索（Grid Search）与随机搜索（Random Search）

这两个是传统的自动化调参策略，适用于搜索空间不大的情况。

网格搜索（Grid Search）

  • 穷举式搜索所有组合，例如：

    复制代码 
    learning_rates = [0.01, 0.001, 0.0001]
batch_sizes = [32, 64, 128]
optimizers = [SGD, Adam]

  • 总共要跑 3×3×2 = 18 次实验。

  • 优点：简单直接，能找出局部最优组合。

  • 缺点：计算资源消耗大，不适合维度高或范围广的超参数。

随机搜索（Random Search）
  • 在设定的搜索范围内随机采样组合，减少计算量。

研究表明，在高维空间中，随机搜索通常比网格搜索更高效（Bergstra & Bengio, 2012）。

  • 举例：随机采样 10 组学习率+Batch组合，而不是穷举全部组合。

三、贝叶斯优化（Bayesian Optimization）

原理简介：

  • 构建一个超参数 → 验证效果之间的"代理模型"，如高斯过程回归（Gaussian Process），预测某组合的效果。

  • 然后在代理模型中选择最可能带来提升的超参数组合继续试验。

  • 是一种智能搜索策略，相比随机或网格更节省时间与资源。

工具推荐：

  • Optuna

    • 支持分布式、多目标优化、可视化。

    • 非常适合深度学习超参数调优。

    • 后面我可以手把手教你用它调 UNet 或 CNN。

四、学习率自动查找（Learning Rate Finder）

让模型自动找到最适合的学习率区间！

PyTorch 中的实现（如 fastai 的 lr_find()）：

  1. 从一个极小学习率开始，指数增长；

  2. 绘制 Learning Rate vs Loss 曲线；

  3. 选取 loss 急剧下降前的最小值处作为起始学习率。

五、一周期学习率策略（One Cycle Policy）

学习率不是越低越好，而是在训练初期升高、中期降低，能获得更好泛化效果。

  • 论文：Super-Convergence（2018） by Leslie Smith

  • 支持：torch.optim.lr_scheduler.OneCycleLR

  • 特别适合图像分类、分割等任务。

六、逐步调优流程总结图（推荐收藏）

python 复制代码 
        ↓ 定义模型结构
        ↓
  设置初始学习率、Batch Size
        ↓
  ↻ 调整学习率找收敛区间（LR Finder）
        ↓
  ↻ 调整 Batch Size + 学习率联动
        ↓
  ↻ 调整优化器参数（Momentum、Decay）
        ↓
  ↻ 调度器（Cosine / Step）选择
        ↓
  ↻ 网络结构细节优化（层数/通道数）
        ↓
  ↻ 加入 Dropout、正则化、EarlyStopping
        ↓
  ↻ 自动搜索工具（Optuna / Ray Tune）

小结：调参三大黄金建议

  1. 控制变量法永不过时： 每次只改一个，效果才可解释。

  2. 调参顺序讲策略： 先优化能显著提升效果的（学习率、Batch）。

  3. 自动化工具是加速器： 用得好能帮你节省大量资源。

代码部分

学习率查找器（LR Finder）

python 复制代码 
# 先安装：pip install torch-lr-finder
from torch_lr_finder import LRFinder

model = SimpleCNN().to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-7, momentum=0.9)

lr_finder = LRFinder(model, optimizer, criterion, device=device)
lr_finder.range_test(train_loader, end_lr=1, num_iter=100)
lr_finder.plot()  # 画出Loss随LR变化曲线
lr_finder.reset() # 恢复模型参数

通过观察曲线，找到 loss 降得最快且开始发散前的那个学习率，作为训练起始学习率。

Batch Size与学习率联动调节

python 复制代码 
base_batch_size = 64
base_lr = 0.01

new_batch_size = 128
new_lr = base_lr * (new_batch_size / base_batch_size)

print(f"当 batch_size={new_batch_size} 时，建议学习率设置为 {new_lr}")

一周期学习率策略（One Cycle Policy）

python 复制代码 
from torch.optim.lr_scheduler import OneCycleLR

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1, momentum=0.9)
scheduler = OneCycleLR(optimizer, max_lr=0.1, steps_per_epoch=len(train_loader), epochs=10)

for epoch in range(10):
    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = criterion(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        scheduler.step()  # 学习率自动调整

        if batch_idx % 100 == 0:
            print(f"Epoch {epoch} Batch {batch_idx} Loss: {loss.item():.4f} LR: {scheduler.get_last_lr()[0]:.6f}")

网格搜索（Grid Search）

python 复制代码 
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

# 简单CNN模型定义（同前）
class SimpleCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3, padding=1)
        self.pool = nn.MaxPool2d(2)
        self.fc = nn.Linear(16*16*16, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.pool(torch.relu(self.conv1(x)))
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fc(x)
        return x

# 数据加载
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
train_dataset = datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# 网格搜索超参数空间
learning_rates = [0.01, 0.001]
momentums = [0.8, 0.9]
batch_sizes = [32, 64]

best_loss = float('inf')
best_params = {}

for lr in learning_rates:
    for momentum in momentums:
        for batch_size in batch_sizes:
            print(f"训练参数: LR={lr}, Momentum={momentum}, Batch Size={batch_size}")

            # 重新加载数据集以调整batch size
            train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
            model = SimpleCNN().to(device)
            criterion = nn.CrossEntropyLoss()
            optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=momentum)

            model.train()
            total_loss = 0
            batches = 0
            for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
                if batch_idx > 50:  # 为节约时间，只训练部分batch
                    break
                data, target = data.to(device), target.to(device)
                optimizer.zero_grad()
                output = model(data)
                loss = criterion(output, target)
                loss.backward()
                optimizer.step()

                total_loss += loss.item()
                batches += 1

            avg_loss = total_loss / batches
            print(f"平均损失: {avg_loss:.4f}")

            if avg_loss < best_loss:
                best_loss = avg_loss
                best_params = {'lr': lr, 'momentum': momentum, 'batch_size': batch_size}

print(f"最佳参数组合: {best_params}，最优平均损失: {best_loss:.4f}")

随机搜索（Random Search）

python 复制代码 
import random

learning_rates = [0.01, 0.001, 0.0001, 0.005]
momentums = [0.7, 0.8, 0.9, 0.95]
batch_sizes = [32, 64, 128]

num_trials = 10  # 随机尝试次数

best_loss = float('inf')
best_params = {}

for _ in range(num_trials):
    lr = random.choice(learning_rates)
    momentum = random.choice(momentums)
    batch_size = random.choice(batch_sizes)
    
    print(f"训练参数: LR={lr}, Momentum={momentum}, Batch Size={batch_size}")

    train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
    model = SimpleCNN().to(device)
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=momentum)

    model.train()
    total_loss = 0
    batches = 0
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        if batch_idx > 50:
            break
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = criterion(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        total_loss += loss.item()
        batches += 1

    avg_loss = total_loss / batches
    print(f"平均损失: {avg_loss:.4f}")

    if avg_loss < best_loss:
        best_loss = avg_loss
        best_params = {'lr': lr, 'momentum': momentum, 'batch_size': batch_size}

print(f"随机搜索最佳参数组合: {best_params}，最优平均损失: {best_loss:.4f}")

贝叶斯优化（Bayesian Optimization）

python 复制代码 
import optuna

def objective(trial):
    lr = trial.suggest_loguniform('lr', 1e-5, 1e-1)
    momentum = trial.suggest_uniform('momentum', 0.7, 0.99)
    batch_size = trial.suggest_categorical('batch_size', [32, 64, 128])

    train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
    model = SimpleCNN().to(device)
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=momentum)

    model.train()
    total_loss = 0
    batches = 0
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        if batch_idx > 50:
            break
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = criterion(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        total_loss += loss.item()
        batches += 1

    avg_loss = total_loss / batches
    return avg_loss

study = optuna.create_study(direction='minimize')
study.optimize(objective, n_trials=20)

print("贝叶斯优化最佳参数：", study.best_params)
print("最佳平均损失：", study.best_value)
方法 优缺点 代码复杂度
网格搜索 简单、完全搜索；计算资源消耗大 最简单
随机搜索 计算资源节省；随机覆盖；适合高维参数 简单
贝叶斯优化 智能高效搜索；适合复杂空间 需要库支持，稍复杂

关于贝叶斯优化我自己的理解：经过多次训练后，软件库中的方法 会记录不同参数的效果， 形成一个类似曲线的形式， 观察参数变化和模型性能之间的关系后 有选择的选择下一次测试的参数组合，最终选择出最优的参数组合。

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