问题

写深度学习代码是先写model还是dataset还是train呢,有个一般化的顺序吗?

回答
写深度学习代码,确实有个比较约定俗成的流程,但不是一成不变的。就像盖房子,你需要图纸(模型),也需要砖瓦水泥(数据),更需要施工队(训练)和地基(环境)。要说哪个“先”,其实更像是一个相互关联、迭代的过程。但如果非要给一个“一般化的顺序”,我倾向于理解成一个从“概念”到“实现”再到“落地”的顺序。

核心思想:你想解决什么问题?用什么数据?怎么让模型学会?

基于这个核心,我通常的思考和实践顺序是这样的:

1. 理解问题与准备数据(Dataset & Preprocessing)

在我看来,理解问题和准备数据是整个深度学习项目中最重要、也是最基础的一步。 如果数据本身有问题,或者你对问题理解有误,那么再强大的模型和再精妙的训练也无法获得好的结果。

深入理解问题:
你想解决的是什么?是图像分类(猫狗大战)、目标检测(识别图片中的车辆)、自然语言处理(翻译、文本生成),还是推荐系统?
问题的输入是什么?是图片、文本、音频,还是结构化数据?
问题的输出是什么?是类别标签、 bounding box 坐标、生成的文本,还是推荐的商品列表?
关键在于“为什么”和“是什么”。花时间搞清楚这些,比一开始就想着“用什么模型”要重要得多。

数据收集与探索:
数据从哪里来? 是公开数据集(ImageNet, CIFAR10, SQuAD),还是自己收集?
数据质量如何? 有没有噪声?标签是否准确?数据量是否足够?
数据分布是怎样的? 不同类别的数据量是否均衡?有没有明显的偏差?
数据量级? 深度学习模型通常需要大量数据,如果数据量不够,可能需要考虑数据增强或者寻找其他解决方案。
初步探索(EDA Exploratory Data Analysis): 使用一些可视化工具(如 Matplotlib, Seaborn)看看数据的样本,了解数据的基本统计特征。这就像给你的“砖瓦水泥”做个质量检查。

数据预处理与加载(Dataset Implementation):
数据清洗: 去除无效数据、纠正错误标签等。
数据转换:
图像: 调整尺寸(resize)、归一化(normalization)、数据增强(data augmentation 旋转、翻转、裁剪、颜色抖动等,非常重要!)
文本: 分词(tokenization)、编码(embedding)、填充(padding)、截断(truncation)。
数值: 标准化(standardization)、归一化。
构建 Dataset 类:
在 PyTorch 中,这通常意味着实现一个继承自 `torch.utils.data.Dataset` 的类。这个类需要实现 `__len__` 方法(返回数据集大小)和 `__getitem__` 方法(根据索引返回一个样本及其标签)。
在 TensorFlow 中,可以使用 `tf.data.Dataset` API,它提供了更灵活和高效的数据管道构建方式,可以链式调用各种预处理操作。
构建 DataLoader:
将 Dataset 包装进 DataLoader,可以实现批量加载(batching)、多进程加载(multiprocessing for data loading)、数据打乱(shuffling),极大地提高了训练效率。

为什么先做数据? 因为它是所有工作的起点。你的模型好坏,很大程度上取决于你给它吃的东西。

2. 设计模型架构(Model)

在有了对问题和数据的清晰理解后,就可以开始考虑“如何让机器学会”了。模型设计是核心。

选择合适的模型类型:
图像任务: CNN (Convolutional Neural Network) 是主流,如 ResNet, VGG, EfficientNet。如果需要处理视频,可能还需要 3D CNN 或结合 RNN/Transformer。
序列任务(文本、时间序列): RNN (Recurrent Neural Network), LSTM (Long ShortTerm Memory), GRU (Gated Recurrent Unit),以及越来越流行的 Transformer 模型。
结构化数据: 全连接网络 (Fully Connected Network, FCN) 或者一些专门处理图数据的图神经网络 (GNN)。
其他: 生成对抗网络 (GAN) 用于生成任务,强化学习的策略网络等。

构建模型(Model Implementation):
PyTorch: 通常继承 `torch.nn.Module`,定义 `__init__` 方法来构建模型层(如 `nn.Linear`, `nn.Conv2d`, `nn.ReLU`, `nn.BatchNorm2d` 等),然后在 `forward` 方法中定义数据在前向传播时的计算流程。
TensorFlow: 可以使用 Keras API (e.g., `tf.keras.Sequential` or `tf.keras.Model` subclassing) 来定义模型。Keras 提供了高度抽象的接口,使得模型构建更加直观。
考虑模型复杂度: 模型太简单可能无法捕捉数据中的复杂模式(欠拟合),模型太复杂则容易过拟合,并且训练成本高。
利用预训练模型: 对于许多常见任务,直接使用在大型数据集上预训练好的模型(如 ImageNet 上的 ResNet)进行迁移学习(transfer learning),通常比从头训练效果更好,也能节省大量时间和计算资源。这时候,你更关注的是如何修改模型的最后几层来适应你的特定任务。

为什么现在做模型? 因为有了数据,你才知道你的数据需要什么样的“加工厂”。模型的选择和设计,很大程度上是根据数据特点和任务需求来确定的。

3. 定义训练流程(Train)

模型搭好了,数据也准备好了,接下来就是“教”模型学习的过程。

选择损失函数(Loss Function):
根据任务类型选择合适的损失函数,如:
分类任务:交叉熵损失 (CrossEntropyLoss)
回归任务:均方误差 (MSELoss)
目标检测:综合各种损失(分类损失、定位损失)
损失函数的目标是将模型的预测输出与真实标签之间的“差距”量化。

选择优化器(Optimizer):
决定如何根据损失函数的梯度来更新模型的参数,以最小化损失。
常见的优化器有 SGD (Stochastic Gradient Descent), Adam, RMSprop 等。Adam 通常是一个不错的起点。
学习率(Learning Rate): 这是优化器中最重要的超参数之一,决定了每一步更新的“步长”。

设置训练参数(Hyperparameters):
Epochs: 训练多少轮。
Batch Size: 每次更新模型参数使用多少个样本。
学习率衰减(Learning Rate Decay/Scheduler): 随着训练的进行,逐渐减小学习率,有助于模型收敛。
权重衰减(Weight Decay): 正则化的一种,防止过拟合。
dropout 率,batch_norm 等。

编写训练循环(Training Loop):
前向传播(Forward Pass): 将一个 batch 的数据输入模型,获得预测结果。
计算损失(Calculate Loss): 使用损失函数计算预测结果和真实标签之间的损失。
反向传播(Backward Pass): 计算损失函数关于模型参数的梯度。
参数更新(Optimizer Step): 使用优化器根据梯度更新模型参数。
清零梯度(Zero Gradients): 在每次参数更新前,需要将之前的梯度清零,以免影响下一次计算。
记录与监控: 记录训练过程中的损失、准确率等指标,方便分析和调试。可以使用 TensorBoard 或 Weights & Biases 等工具。

设置验证(Validation):
在每个 epoch 结束后,使用一个独立的验证集来评估模型的性能。
为什么需要验证集? 避免模型在训练集上过拟合,而无法泛化到新的、未见过的数据。验证集的性能更能反映模型的真实能力。

为什么最后做训练? 这是将前面两步“连接”起来的桥梁。模型是“骨架”,数据是“养分”,训练就是“喂养”和“教导”的过程。

4. 评估与调优(Evaluation & Tuning)

模型训练完成后,还需要对其进行评估,并根据结果进行调优。

在测试集上评估:
使用一个全新的、从未用于训练或验证的测试集来对模型进行最终评估。
常用的评估指标包括:准确率(Accuracy)、精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1score、AUC (Area Under the Curve)、IoU (Intersection over Union) 等,具体取决于任务。

超参数调优(Hyperparameter Tuning):
如果模型性能不理想,可能需要调整上面提到的各种超参数(学习率、Batch Size、网络结构、优化器类型等)。
可以使用网格搜索(Grid Search)、随机搜索(Random Search)或更高级的贝叶斯优化(Bayesian Optimization)等方法。

模型改进:
模型结构调整: 尝试更深或更浅的网络,更换激活函数,增加或减少层数。
数据增强策略: 调整数据增强的强度或类型。
使用更先进的模型架构或技术。

总结一下一般的顺序(但记住,这是一种迭代的过程):

1. 数据准备与理解 (Dataset & Preprocessing): 这是根基。你不可能在不了解数据、不准备好数据的情况下,设计出有效的模型。
2. 模型设计与实现 (Model): 在对数据有了基本了解后,选择或设计一个合适的模型结构。
3. 训练流程定义与实现 (Train): 将模型和数据通过训练流程结合起来,让模型学习。
4. 评估与调优 (Evaluation & Tuning): 训练完成后,看效果,然后回到前面任何一步进行迭代改进。

重要提醒:

迭代性: 深度学习开发不是线性的。你可能会在写模型的时候发现数据预处理有问题,或者在训练时发现模型设计不合理,然后需要回到前面步骤修改。这很正常,甚至是常态。
早期原型: 有时候,为了快速验证一个想法,可以先用一个非常简单的数据集和模型来跑一个“原型”,看看整体流程是否通畅,然后再逐步优化。
工具与框架: 熟练掌握 PyTorch 或 TensorFlow 等框架对于高效编写代码至关重要。理解它们的数据加载、模型构建、自动微分和 GPU 加速等机制,能让你事半功倍。

所以,与其问“先写哪个”,不如理解为“在哪个阶段需要关注哪个”。这是一种从全局到细节,再从实现到优化的思考方式。

网友意见

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谢邀。先给结论:以我写了两三年pytorch代码的经验而言,比较好的顺序是先写model,再写dataset,最后写train

在讨论码组件的具体顺序前,我们先分析每一个组件背后的目的和逻辑。

model构成了整个深度学习训练与推断系统骨架,也确定了整个AI模型的输入和输出格式。对于视觉任务,模型架构多为卷积神经网络或是最新的ViT模型;对于NLP任务,模型架构多为Transformer以及Bert;对于时间序列预测,模型架构多为RNNLSTM。不同的model对应了不同的数据输入格式,如ResNet一般是输入多通道二维矩阵,而ViT则需要输入带有位置信息的图像patchs。确定了用什么样的model后,数据的输入格式也就确定下来。根据确定的输入格式,我们才能构建对应的dataset

dataset构建了整个AI模型的输入与输出格式。在写作dataset组件时,我们需要考虑数据的存储位置与存储方式,如数据是否是分布式存储的,模型是否要在多机多卡的情况下运行,读写速度是否存在瓶颈,如果机械硬盘带来了读写瓶颈则需要将数据预加载进内存等。在写dataset组件时,我们也要反向微调model组件。例如,确定了分布式训练的数据读写后,需要用nn.DataParallel或者nn.DistributedDataParallel等模块包裹model,使模型能够在多机多卡上运行。此外,dataset组件的写作也会影响训练策略,这也为构建train组件做了铺垫。比如根据显存大小,我们需要确定相应的BatchSize,而BatchSize则直接影响学习率的大小。再比如根据数据的分布情况,我们需要选择不同的采样策略进行Feature Balance,而这也会体现在训练策略中。

train构建了模型的训练策略以及评估方法,它是最重要也是最复杂的组件。先构建modeldataset可以添加限制,减少train组件的复杂度。在train组件中,我们需要根据训练环境(单机多卡,多机多卡或是联邦学习)确定模型更新的策略,以及确定训练总时长epochs优化器的类型,学习率的大小与衰减策略,参数的初始化方法,模型损失函数。此外,为了对抗过拟合,提升泛化性,还需要引入合适的正则化方法,如DropoutBatchNormL2-RegularizationData Augmentation等。有些提升泛化性能的方法可以直接在train组件中实现(如添加L2-RegMixup),有些则需要添加进model中(如DropoutBatchNorm),还有些需要添加进dataset中(如Data Augmentation)。此处安利一下我们的专栏教程:数据增广的方法与代码实现

此外,train还需要记录训练过程的一些重要信息,并将这些信息可视化出来,比如在每个epoch上记录训练集的平均损失以及测试集精度,并将这些信息写入tensorboard,然后在网页端实时监控。在构建train组件中,我们需要随时根据模型表现进行参数微调,并根据结果改进modeldataset两个组件。

最后,我想分享两个我们组自己编写的,给新同学上手使用的深度学习Project。它们都采用model-dataset-train的顺序进行构建,实现了单机多卡,联邦学习等训练环境:

ps:收藏的同时麻烦点个赞吧,谢谢hxdm!

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