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对于学习率的调整一直是个比较困难的问题， 在yolov5中提供了两种学习率的调整方式，一种是线性调整，另外一种就是One Cycle Policy。而在查找资料的过程中，了解到了其他的学习率调整策略，这里一并归纳到这篇笔记中。
其中包括：LR Range Test、Cyclical LR、One Cycle Policy、SGDR、AdamW 、SGDW、pytorch实现的余弦退火策略。具体的学习率调整策略，详细见参考资料。
0. Yolov5的学习率调整方案
yolov5代码中提供了两种学习率调整方案：线性学习率与One Cycle学习率调整
代码比较简单，如下所示：
# Scheduler
if opt.linear_lr:
lf = lambda x: (1 - x / (epochs - 1)) * (1.0 - hyp['lrf']) + hyp['lrf'] # linear
else:
lf = one_cycle(1, hyp['lrf'], epochs) # cosine 1->hyp['lrf']
scheduler = lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lf) # plot_lr_scheduler(optimizer, scheduler, epochs)
配合辅助绘制函数plot_lr_scheduler，这里可以将两种学习率调整策略的学习率随epochs变化绘制出来，这里我重新写了一个函数比较方便调用lf。
参考代码：
def plot_lr_scheduler(optimizer, scheduler, epochs=300, save_dir=''):
# Plot LR simulating training for full epochs
optimizer, scheduler = copy(optimizer), copy(scheduler) # do not modify originals
y = []
for _ in range(epochs):
scheduler.step()
y.append(optimizer.param_groups[0]['lr'])
plt.plot(y, '.-', label='LR')
plt.xlabel('epoch')
plt.ylabel('LR')
plt.grid()
plt.xlim(0, epochs)
plt.ylim(0)
plt.savefig(Path(save_dir) / 'LR.png', dpi=200)
plt.close()
# 功能: 绘制在学习率调整方法lr下, 学习率随epoch的曲线
def plot_lr(lf, epochs=30):
# load model
weight = r"./runs/train/mask/weights/last.pt"
device = torch.device('cpu')
ckpt = torch.load(weight, map_location=device)
model = Model(ckpt['model'].yaml, ch=3, nc=3, anchors=None).to(device)
model.load_state_dict(ckpt['model'].state_dict())
# optimizer
g0, g1, g2 = [], [], [] # optimizer parameter groups
for v in model.modules():
if hasattr(v, 'bias') and isinstance(v.bias, nn.Parameter): # bias
g2.append(v.bias)
if isinstance(v, nn.BatchNorm2d): # weight (no decay)
g0.append(v.weight)
elif hasattr(v, 'weight') and isinstance(v.weight, nn.Parameter): # weight (with decay)
g1.append(v.weight)
optimizer = SGD(g0, lr=0.01, momentum=0.937, nesterov=True)
optimizer.add_param_group({'params': g1, 'weight_decay': 0.0005}) # add g1 with weight_decay
optimizer.add_param_group({'params': g2}) # add g2 (biases)
scheduler = lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lf)
plot_lr_scheduler(optimizer, scheduler, epochs, save_dir='./runs/test')
print('plot successes')
下面利用以上函数分别查看线性学习率与One Cycle的学习率变化曲线
- 线性学习率变化曲线
绘制曲线代码：
if __name__ == '__main__':
epochs = 30
lrf = 0.1
lf = lambda x: (1 - x / (epochs - 1)) * (1.0 - lrf) + lrf
plot_lr(lf, epochs)
学习率曲线图：
- OneCycle学习率变化曲线
绘制曲线代码：
def one_cycle(y1=0.0, y2=1.0, steps=100):
# lambda function for sinusoidal ramp from y1 to y2 https://arxiv.org/pdf/1812.01187.pdf
return lambda x: ((1 - math.cos(x * math.pi / steps)) / 2) * (y2 - y1) + y1
if __name__ == '__main__':
epochs = 30
lf = one_cycle(1, 0.1, 30) # cosine 1->hyp['lrf']
plot_lr(lf, epochs)
学习率曲线图：
分析：One Cycle的学习率变化过程是从lr0=0.01呈余弦变化衰退到lr0*lrf = 0.01*0.1 = 0.001上。在了解完下诉的one cycle，就可以侧面从yolov5的学习率变化曲线可出，其不完全是按照One Cycle Policy图像来设置的，更偏向于普通的余弦退火策略。
下面的内容就是对各种学习率调整方法进行理论分析介绍与归纳。
1. LR Range Test
2015年，Leslie N. Smith提出了该技术。其核心是将模型进行几次迭代，在最初的时候，将学习率设置的足够小，然后，随着迭代次数的增加，逐渐增加学习率，记录下每个学习率对应的损失，并绘图：（LR 的初始值仅为 1e-7，然后增加到 10）
LR Range Test 图应该包括三个区域，第一个区域中学习率太小以至于损失几乎没有减少，第二个区域里损失收敛很快，最后一个区域中学习率太大以至于损失开始发散。因此，第二个区域中的学习率范围就是我们在训练时应该采用的。
所以，这个方法字如其名，就是学习率范围测试，为训练寻找一个合适的学习率范围。
2. Cyclical LR
在一些经典方法中，学习率总是逐步下降的，从而保证模型能够稳定收敛，但Leslie Smith对此提出了质疑，Leslie Smith认为让学习率在合理的范围内周期性变化（即Cyclical LR： 在 lr 和 max_lr 范围内循环学习率）是更合理的方法，能够以更小的步骤提高模型准确率。
如上图所示，max_lr 与 lr 可以通过 LR Range test 确定，作者认为：最优学习率将在处于这个范围内，所以如果学习率在这个区间变化，大多数情况下你将得到一个接近最优学习率的学习率。
总结：
- Cyclical LR是一种有效避开鞍点的方法，因为在鞍点附近梯度较小，通过增加学习率可以让模型走出困境。
- Cyclical LR能够加速模型训练过程
- Cyclical LR在一定程度上可以提高模型的泛化能力（将模型带入平坦最小值区域）
3. One Cycle Policy
在Cyclical LR和LR Range Test的基础上，Leslie 继续改进，提出了The 1cycle policy。即周期性学习率调整中，周期被设置为1。在一周期策略中，最大学习率被设置为 LR Range test 中可以找到的最高值，最小学习率比最大学习率小几个数量级（比如设为最大值的0.1倍）。
如上图，一整个训练周期约400个iter，前175个iter用来warm-up，中间175个iter用来退火到初始学习率，最后几十个iter学习率进行进一步衰减。我们将上述三个过程称为三个阶段。
- 第一阶段：线性warm-up：其效果与一般的warm-up效果类似，防止冷启动导致的一些问题。
- 第二阶段：线性下降至初始学习率：由于第一、第二阶段中有相当大的时间模型处于较高的学习率，作者认为，这将起到一定的正则化作用，防止模型在陡峭最小值驻留，从而更倾向于寻找平坦的局部最小值。
- 第三阶段：学习率衰减至0：将使得模型在一个‘平坦’区域内收敛至一个较为‘陡峭’的局部最小值。
上图展示了一周期策略训练时，模型在训练集和验证集上的损失变化。在该图中，学习率在 0 和 41 时期之间从 0.08 上升到 0.8，在 41 和 82 时期之间回到 0.08，然后在最后几个时期达到 0.08 的百分之一。可见，在学习率较大时，验证集损失变得不稳定，但平均来看，验证集损失与训练集损失的差值没有变化太多，说明这个阶段模型学习到的知识具有较好的泛化能力（即大学习率一定程度上起到了正则化的作用）。而在训练末期，学习率不断衰减，这时训练集损失有明显下降，而验证集损失没有明显下降，两者的差值扩大了，因此，在训练末期，模型开始产生了一定的过拟合。
在这张图中，学习率在 0 和 22.5 时期之间从 0.15 上升到 3，在 22.5 和 45 时期之间回到 0.15，然后在最后几个时期达到 0.15 的百分之一。凭借非常高的学习率，我们可以更快地学习并防止过度拟合。在我们消除学习率之前，验证损失和训练损失之间的差异一直非常小。这就是 Leslie Smith 所描述的超收敛现象。使用这种技术，我们可以在 50 个 epoch 内训练一个 resnet-56，使其在 cifar10 上的准确率达到 92.3%。进入一个 70 个 epoch 的周期可以让我们达到 93% 的准确率。
- Cyclical momentum
在参考资料3中还提到了Cyclical momentum周期性动量的方法。
伴随着向更大学习率的转变， Leslie Smith 在他的实验中发现，降低动量会带来更好的结果。这支持了这样一种直觉，即在训练的那部分，我们希望 SGD 快速进入新的方向以找到更平坦的区域，因此需要赋予新的梯度更多的权重。在实践中，他建议选择 0.85 和 0.95 这样的两个值，当我们提高学习率时，从较高的值减小到较低的值，然后随着学习率的下降返回到较高的动量。如下图所示：
根据 Leslie 的说法，在整个训练期间选择的确切最佳动量值可以给我们相同的最终结果，但使用循环动量消除了尝试多个值和运行几个完整循环的麻烦，从而浪费了宝贵的时间。
- 总结：
One Cycle Policy的含义也从图也可以看见，就是学习率变化分为3个阶段但是只有一个周期，也就是称为1周期策略的学习率调整。同时也可以侧面从yolov5的学习率变化曲线可出，其不完全是按照One Cycle Policy图像来设置的，更偏向于普通的余弦退火策略。
4. SGDR
来源见参考资料2.
SGDR是性能良好的旧版热重启 SGD。原则上，SGDR 与 CLR 本质是非常相似的，即在训练过程中学习率是不断变化的。
其中，主动退火策略（余弦退火）与重启计划相结合。重启是一个「热」重启，因为模型没有像全新模型那样重启，而是在重新启动学习率后，使用重启前的参数作为模型的初始解决方案。这在实现中非常简单，因为你不需要对模型执行任何操作，只需要即时更新学习率。
到目前为止，Adam 等自适应优化方法仍然是训练深度神经网络的最快方法。然而，各种基准测试的许多最优解决方案或在 Kaggle 中获胜的解决方案仍然选用 SGD，因为他们认为，Adam 获得的局部最小值会导致不良的泛化。
SGDR 将两者结合在一起，迅速「热」重启到较大的学习率，然后利用积极的退火策略帮助模型与 Adam 一样快速（甚至更快）学习，同时保留普通 SGD 的泛化能力。
5. AdamW 、SGDW
来源见参考资料1，2.（参考资料1对这部分内容可能更详细一点）
「热」启动策略非常好，并且在训练期间改变学习率似乎是可行的。但为什么上一篇论文没有扩展到 AdamR 呢？论文《Fixing Weight Decay Regularization in Adam》的作者曾说：
虽然我们初始版本的 Adam 在「热」启动时性能比 Adam 更好，但相比于热启动的 SGD 没有什么竞争力。
作者在论文中提出了以下意见：
- L2 正则化和权值衰减不同。
- L2 正则化在 Adam 中无效。
- 权值衰减在 Adam 和 SGD 中同样有效。
- 在 SGD 中，再参数化可以使 L2 正则化和权值衰减等效。
- 主流的库将权值衰减作为 SGD 和 Adam 的 L2 正则化。
他们提出了 AdamW 和 SGDW，这两种方法可以将权值衰减和 L2 正则化的步骤分离开来。
通过新的 AdamW，作者证明了 AdamW（重启 AdamWR）在速度和性能方面都与 SGDWR 相当。
这部分看到有点懵逼，不太了解。
6. Pytorch的余弦退火学习率策略
详细见参考资料4.
这里补充个额外的插曲，在pytorch其实也实现了余弦退火策略，主要是两个函数：CosineAnnealingLR 与 CosineAnnealingWarmRestarts
- CosineAnnealingLR
这个比较简单，只对其中的最关键的Tmax参数作一个说明,这个可以理解为余弦函数的半周期.如果max_epoch=50次，那么设置T_max=5则会让学习率余弦周期性变化5次.
- CosineAnnealingWarmRestarts
这个最主要的参数有两个：T_0是学习率第一次回到初始值的epoch位置；T_mult是控制了学习率变化的速度。
如果,则学习率在
，
，
，
，
,…处回到最大值(初始学习率)；
如果，则学习率在
，
，
，
，
,处回到最大值。
参考资料：
2. 自 Adam 出现以来，深度学习优化器发生了什么变化？
文章出处登录后可见！
