最近在跑一個(gè)皮膚影像分類(lèi)的實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目主題是猴痘病識(shí)別。任務(wù)本身聽(tīng)起來(lái)挺簡(jiǎn)單——給模型一張皮膚病灶圖讓它輸出是猴痘還是其他皮膚病屬于典型的細(xì)粒度醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)問(wèn)題?？烧姘蚜鞒掏暾咭槐閺臄?shù)據(jù)清洗、增強(qiáng)策略、遷移學(xué)習(xí)再到指標(biāo)評(píng)估每一步都有值得琢磨的細(xì)節(jié)甚至有幾個(gè)環(huán)節(jié)讓我返工了不止一次。這個(gè)項(xiàng)目是系列實(shí)戰(zhàn)練習(xí)里的P4周前面幾周做過(guò)自然圖像分類(lèi)、垃圾圖片識(shí)別、遙感影像標(biāo)注之類(lèi)的入門(mén)任務(wù)到這一周難度明顯上了一個(gè)臺(tái)階。為什么因?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像分類(lèi)和普通分類(lèi)完全是兩個(gè)世界數(shù)據(jù)量小、類(lèi)別相似度高、圖像噪聲大、還牽扯到隱私問(wèn)題。你拿ImageNet上訓(xùn)練好的模型直接過(guò)來(lái)推理效果往往很差但真要你從零訓(xùn)練一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這里面怎么平衡、怎么設(shè)計(jì)訓(xùn)練策略就是這篇文章想聊清楚的東西。文章適合誰(shuí)看如果你正在做圖像分類(lèi)相關(guān)的項(xiàng)目尤其是醫(yī)學(xué)影像、皮膚病理、農(nóng)業(yè)病害這類(lèi)小樣本細(xì)粒度識(shí)別場(chǎng)景這篇內(nèi)容可以直接復(fù)用。里面涉及的數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略、兩階段微調(diào)方案、混淆矩陣分析思路都是經(jīng)過(guò)真實(shí)項(xiàng)目驗(yàn)證過(guò)的做法。我會(huì)把代碼、參數(shù)、踩坑過(guò)程都放出來(lái)你照著改改就能用到自己的數(shù)據(jù)上。1. 從任務(wù)目標(biāo)到數(shù)據(jù)認(rèn)知猴痘病識(shí)別到底難在哪1.1 業(yè)務(wù)場(chǎng)景給模型一張皮膚照片它要給出什么結(jié)論先把這個(gè)任務(wù)放在真實(shí)場(chǎng)景里看。傳統(tǒng)診斷流程里醫(yī)生需要靠肉眼觀察皮損形態(tài)、分布位置結(jié)合接觸史和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)才能確診。但在疫情篩查階段大量初診病例積壓醫(yī)生不可能把所有時(shí)間都花在重復(fù)閱片上。這時(shí)候一個(gè)能自動(dòng)對(duì)皮膚照片做初步分類(lèi)的模型就能幫上忙它把疑似猴痘的樣本優(yōu)先挑出來(lái)讓醫(yī)生把精力集中在高風(fēng)險(xiǎn)人群上。所以這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際價(jià)值不在于替代醫(yī)生而在于做預(yù)篩和分流。模型面對(duì)一張皮膚照片輸出三類(lèi)結(jié)論之一猴痘病變、其他皮膚病變、正常皮膚?？辞宄侨诸?lèi)不是二分類(lèi)。很多人第一反應(yīng)是就判斷是不是猴痘唄分兩類(lèi)不就行了但真落到臨床場(chǎng)景只做二分類(lèi)意義不大。因?yàn)閷?shí)際門(mén)診來(lái)的病人大部分不是正常皮膚而是帶著各種皮疹、水皰、過(guò)敏反應(yīng)來(lái)的。如果只訓(xùn)練猴痘 vs 正常模型見(jiàn)到一個(gè)水痘患者大概率會(huì)把它判成猴痘——因?yàn)樗缓秃锒坏囊曈X(jué)特征太接近了而模型從來(lái)沒(méi)學(xué)過(guò)其他皮膚病長(zhǎng)什么樣。這就逼著我們必須引入第三類(lèi)讓模型學(xué)會(huì)區(qū)分猴痘和它最相似的混淆類(lèi)別。1.2 數(shù)據(jù)集特征小樣本、高相似、強(qiáng)噪聲看數(shù)據(jù)之前先潑盆冷水公開(kāi)的猴痘皮膚圖像數(shù)據(jù)集數(shù)量通常只有幾千張很多是網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)抓來(lái)的來(lái)源五花八門(mén)。這意味著三個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。第一數(shù)據(jù)量不夠從零訓(xùn)練一個(gè)深度網(wǎng)絡(luò)。ResNet50這種模型光參數(shù)就有2550萬(wàn)你給它喂幾千張圖訓(xùn)練集準(zhǔn)確率能輕松到99%驗(yàn)證集卻可能一直卡在80%上下這就是典型的過(guò)擬合。第二圖像質(zhì)量參差不齊。手機(jī)拍攝的照片有的人離得遠(yuǎn)有的人離得近有室內(nèi)光有室外光有的還帶毛發(fā)遮擋模型很容易抓住這些和疾病無(wú)關(guān)的噪聲特征。第三最要命的是類(lèi)別間相似度極高猴痘早期的紅色斑疹和麻疹、水痘幾乎一模一樣連醫(yī)生都要結(jié)合病程和接觸史判斷單靠靜態(tài)圖像讓模型硬分上限就擺在那里。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)P4周這個(gè)項(xiàng)目真正訓(xùn)練的其實(shí)不是怎么搭一個(gè)分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)而是怎么在小樣本高混淆的醫(yī)學(xué)圖像上把遷移學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)全部榨出來(lái)。1.3 數(shù)據(jù)劃分的一個(gè)隱藏陷阱公開(kāi)數(shù)據(jù)集內(nèi)部往往隱藏著數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。我當(dāng)時(shí)拿到數(shù)據(jù)后第一版劃分方式很粗暴——直接把所有圖片隨機(jī)打散按8:1:1切分成訓(xùn)練、驗(yàn)證、測(cè)試集。結(jié)果測(cè)試集準(zhǔn)確率漂亮得嚇人96%?？晌易屑?xì)一看數(shù)據(jù)來(lái)源文件發(fā)現(xiàn)很多圖片其實(shí)來(lái)自同一組病例同一個(gè)人的不同角度皮損照片被隨機(jī)分到了訓(xùn)練集和測(cè)試集里。這就意味著模型可能記住了這個(gè)人皮膚的背景色、紋理特征而不是真正學(xué)會(huì)了識(shí)別猴痘的病理特征。測(cè)試時(shí)遇見(jiàn)同一個(gè)人的不同照片相當(dāng)于直接開(kāi)卷考試。后來(lái)我把數(shù)據(jù)按病例來(lái)源分組保證同一個(gè)人的所有照片只出現(xiàn)在一個(gè)集合里測(cè)試集準(zhǔn)確率立刻掉到90%左右。這才是真實(shí)水平。這個(gè)教訓(xùn)很重要醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)里如果你的數(shù)據(jù)集中同一患者的多張圖像混在訓(xùn)練集和測(cè)試集兩邊評(píng)估結(jié)果會(huì)虛高落地時(shí)模型表現(xiàn)斷崖式下跌。按來(lái)源分組劃分應(yīng)該作為醫(yī)學(xué)影像項(xiàng)目的默認(rèn)操作。2. 模型選型與訓(xùn)練設(shè)計(jì)遷移學(xué)習(xí)為什么是首選2.1 為什么不從零訓(xùn)練也不直接拿預(yù)訓(xùn)練模型硬推理圖像分類(lèi)項(xiàng)目的第一個(gè)選擇題往往就是模型怎么來(lái)從零訓(xùn)練、微調(diào)預(yù)訓(xùn)練模型、還是完全凍結(jié)主干只換分類(lèi)頭先說(shuō)從零訓(xùn)練。ImageNet有128萬(wàn)張圖、1000個(gè)類(lèi)別ResNet50還花了120個(gè)epoch才收斂到75%左右的Top-1準(zhǔn)確率。而我的手頭猴痘數(shù)據(jù)集滿(mǎn)打滿(mǎn)算幾千張從零開(kāi)始訓(xùn)練一個(gè)深度CNN唯一的結(jié)局就是嚴(yán)重過(guò)擬合。你要么把網(wǎng)絡(luò)做得非常淺非常小但淺層網(wǎng)絡(luò)的特征表達(dá)力又不夠做細(xì)粒度分類(lèi)兩頭難。就算加上粗暴的數(shù)據(jù)增強(qiáng)本質(zhì)上也解決不了數(shù)據(jù)分布覆蓋不足的問(wèn)題。再說(shuō)直接拿預(yù)訓(xùn)練模型硬推理。ImageNet的1000個(gè)類(lèi)別里有猴子、有獼猴沒(méi)有猴痘模型對(duì)皮膚病變區(qū)域這個(gè)概念根本沒(méi)有認(rèn)知直接推理的結(jié)果基本等于隨機(jī)猜輸出概率分布毫無(wú)區(qū)分度。那遷移學(xué)習(xí)為什么是正解因?yàn)榫矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取是分層遞進(jìn)的淺層學(xué)到的是邊緣、紋理、顏色塊這類(lèi)通用低級(jí)特征中層學(xué)到的是形狀、局部模式深層才學(xué)到類(lèi)別專(zhuān)屬的語(yǔ)義特征。ImageNet預(yù)訓(xùn)練模型已經(jīng)在百萬(wàn)級(jí)通用圖像上學(xué)好了淺層和中層特征這些特征對(duì)醫(yī)學(xué)圖像同樣適用——皮膚病灶的邊緣、水皰的紋理、紅斑的色澤本質(zhì)上都是邊緣和紋理的組合。我們要做的只是把深層特征適配到猴痘這個(gè)新任務(wù)上。2.2 骨干網(wǎng)絡(luò)對(duì)比與選型邏輯既然確定用遷移學(xué)習(xí)下一個(gè)問(wèn)題就是選哪個(gè)預(yù)訓(xùn)練骨干網(wǎng)絡(luò)作為特征提取器。我把當(dāng)時(shí)對(duì)比的幾個(gè)模型列了個(gè)表參數(shù)都不是我瞎寫(xiě)的是實(shí)際實(shí)驗(yàn)跑出來(lái)的感受骨干網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量推理速度在小樣本醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)適合場(chǎng)景ResNet5025.6M中穩(wěn)定最容易調(diào)出好效果通用首選VGG16138M慢效果不錯(cuò)但顯存占用大不推薦新項(xiàng)目使用EfficientNetB05.3M快精度不低但訓(xùn)練對(duì)超參敏感需要極致效率時(shí)考慮MobileNetV34.2M最快精度略低端側(cè)部署場(chǎng)景為什么最終選了ResNet50三個(gè)原因。第一是它的殘差連接結(jié)構(gòu)在微調(diào)時(shí)特別友好。深層的梯度能通過(guò)捷徑連接直接傳回淺層不容易出現(xiàn)梯度消失。第二是它中間層輸出的特征圖分辨率適中既能保留病灶的局部細(xì)節(jié)又不會(huì)像EfficientNet那樣在訓(xùn)練初期對(duì)學(xué)習(xí)率極其敏感。第三是我對(duì)ResNet系列的調(diào)參經(jīng)驗(yàn)最豐富P4周這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上穩(wěn)定可控比極限性能更重要。如果你后續(xù)想把模型部署到手機(jī)端切到MobileNetV3再跑一遍同樣的兩階段流程就行精度會(huì)掉一個(gè)點(diǎn)左右但速度能快好幾倍。2.3 類(lèi)別設(shè)計(jì)的取舍差一個(gè)類(lèi)別訓(xùn)練難度完全不同上文說(shuō)過(guò)這個(gè)項(xiàng)目選的是三分類(lèi)猴痘、其他皮膚病變、正常皮膚。這個(gè)選擇不是隨意決定的它對(duì)整個(gè)訓(xùn)練難度有決定性影響。如果只做二分類(lèi)猴痘 vs 正常皮膚數(shù)據(jù)里每一種非猴痘的圖片都是負(fù)樣本模型很容易學(xué)會(huì)有異常就是猴痘這種粗糙的決策邊界。一旦真到了臨床場(chǎng)景遇到水痘、帶狀皰疹、過(guò)敏性皮炎模型全都會(huì)往猴痘那邊偏誤報(bào)率會(huì)高到讓人無(wú)法接受。加上其他皮膚病變這個(gè)類(lèi)別之后模型被迫去學(xué)習(xí)猴痘區(qū)別于水痘、區(qū)別于皰疹、區(qū)別于普通皮疹的判別性特征。這是細(xì)粒度分類(lèi)的核心思想——難點(diǎn)不在有沒(méi)有病而在是什么病。訓(xùn)練難度確實(shí)變大了驗(yàn)證準(zhǔn)確率會(huì)比二分類(lèi)低三到五個(gè)百分點(diǎn)但這是用精度換實(shí)用性值得。3. 兩階段微調(diào)凍結(jié)骨干網(wǎng)絡(luò)與解凍精修的完整流程3.1 數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略有限數(shù)據(jù)下的第一道防線小樣本項(xiàng)目的第一道防線永遠(yuǎn)是數(shù)據(jù)增強(qiáng)。我當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)管線分兩條路走離線清洗時(shí)統(tǒng)一做尺寸歸一化在線訓(xùn)練時(shí)做隨機(jī)擾動(dòng)。在線增強(qiáng)我用了這樣一組參數(shù)from torchvision import transforms train_transform transforms.Compose([ transforms.Resize((256, 256)), transforms.RandomResizedCrop(224, scale(0.8, 1.0)), transforms.RandomHorizontalFlip(p0.5), transforms.RandomRotation(15), transforms.ColorJitter( brightness0.2, contrast0.2, saturation0.1, hue0.05 ), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize( mean[0.485, 0.456, 0.406], std[0.229, 0.224, 0.225] ) ]) val_transform transforms.Compose([ transforms.Resize((224, 224)), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize( mean[0.485, 0.456, 0.406], std[0.229, 0.224, 0.225] ) ])這里幾個(gè)我自己踩過(guò)坑的經(jīng)驗(yàn)。RandomResizedCrop的scale參數(shù)我建議控制在0.8到1.0之間不要用ImageNet分類(lèi)常用的0.08到1.0。因?yàn)獒t(yī)學(xué)病灶是有實(shí)際尺寸意義的縮放太狠會(huì)讓模型學(xué)到錯(cuò)誤的尺度信息比如把一顆小痣放大成一個(gè)巨大的潰爛面這種增強(qiáng)對(duì)模型訓(xùn)練不但沒(méi)幫助還會(huì)干擾它學(xué)習(xí)真實(shí)的病灶形態(tài)。RandomRotation我限制在15度以?xún)?nèi)。皮膚照片雖然有旋轉(zhuǎn)角度差異但旋轉(zhuǎn)過(guò)大生成的訓(xùn)練樣本在真實(shí)世界里根本不存在反而增加了模型的不確定性。ColorJitter我特意把hue調(diào)得很小只動(dòng)了0.05。原因很簡(jiǎn)單皮膚病變的顏色是重要診斷線索色相偏移太大會(huì)讓紅疹變成藍(lán)疹等于給模型喂錯(cuò)誤標(biāo)簽。驗(yàn)證集的transform只做resize和歸一化不做任何隨機(jī)增強(qiáng)。這一點(diǎn)我見(jiàn)過(guò)不少新手搞混在驗(yàn)證集上加了隨機(jī)翻轉(zhuǎn)結(jié)果指標(biāo)忽高忽低永遠(yuǎn)看不到真實(shí)水平。3.2 模型構(gòu)建替換分類(lèi)頭并凍結(jié)參數(shù)模型構(gòu)建這一步核心工作是用預(yù)訓(xùn)練權(quán)重初始化骨干網(wǎng)絡(luò)把最后的全連接層換成適配三分類(lèi)任務(wù)的新分類(lèi)頭。import torch import torch.nn as nn from torchvision import models model models.resnet50(weightsmodels.ResNet50_Weights.IMAGENET1K_V1) # 替換最后一層全連接層適配3分類(lèi)任務(wù) num_features model.fc.in_features model.fc nn.Sequential( nn.Dropout(0.3), nn.Linear(num_features, 256), nn.ReLU(inplaceTrue), nn.Dropout(0.3), nn.Linear(256, 3) ) # 第一階段凍結(jié)所有骨干網(wǎng)絡(luò)參數(shù) for param in model.parameters(): param.requires_grad False # 只允許分類(lèi)頭參數(shù)更新 for param in model.fc.parameters(): param.requires_grad True這里分類(lèi)頭我用了兩層全連接結(jié)構(gòu)而不是簡(jiǎn)單的單層替換原因是單層全連接在特征維度為2048時(shí)容量有限不足以擬合三分類(lèi)的決策邊界。加了兩個(gè)Dropout層0.3的丟棄率在小樣本場(chǎng)景下能明顯抑制分類(lèi)頭的過(guò)擬合。關(guān)于凍結(jié)策略可以把骨干網(wǎng)絡(luò)想象成一個(gè)已經(jīng)熟練掌握通用視覺(jué)特征的學(xué)生分類(lèi)頭是一個(gè)剛?cè)腴T(mén)的新生。第一階段讓新生先聽(tīng)課做題老生別插手等新生水平上來(lái)了再讓老生也參與討論一起適應(yīng)新題型。3.3 兩階段訓(xùn)練先訓(xùn)頭部再解凍精修訓(xùn)練策略我拆成了兩段這也是整個(gè)項(xiàng)目里最關(guān)鍵的部分。第一階段凍結(jié)骨干網(wǎng)絡(luò)全部參數(shù)只訓(xùn)練新加的分類(lèi)頭優(yōu)化器用AdamW學(xué)習(xí)率定在1e-3跑10個(gè)epoch。這個(gè)階段的目標(biāo)不是追求高準(zhǔn)確率而是讓隨機(jī)初始化的分類(lèi)頭先在固定特征上收斂把骨干網(wǎng)絡(luò)ReLU之前輸出的特征分布摸個(gè)底。第二階段解凍骨干網(wǎng)絡(luò)最后一部分參數(shù)。我當(dāng)時(shí)解凍了第三個(gè)殘差塊之后的全部層包括stage4和stage3的后半段把學(xué)習(xí)率降到1e-5再跑15個(gè)epoch。為什么學(xué)習(xí)率要從1e-3直接降到1e-5這個(gè)數(shù)值選擇背后的邏輯值得說(shuō)清楚。ImageNet上預(yù)訓(xùn)練的特征是通用特征微調(diào)的本質(zhì)是在通用特征基礎(chǔ)上做局部調(diào)整。如果學(xué)習(xí)率設(shè)得太高比如沿用1e-3梯度更新過(guò)大會(huì)把預(yù)訓(xùn)練學(xué)到的通用特征徹底沖掉。在小樣本數(shù)據(jù)集上這種破壞是不可逆的模型會(huì)快速過(guò)擬合到訓(xùn)練集的幾百?gòu)垐D上驗(yàn)證準(zhǔn)確率不升反降。而1e-5這個(gè)量級(jí)相當(dāng)于用極小的步長(zhǎng)在預(yù)訓(xùn)練權(quán)重附近做精細(xì)搜索既保留了通用特征又讓深層特征逐漸適應(yīng)皮膚病灶的分布。整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程我用了一個(gè)很簡(jiǎn)單的早停機(jī)制連續(xù)5個(gè)epoch驗(yàn)證集F1沒(méi)有提升就停止訓(xùn)練同時(shí)保存驗(yàn)證集F1最高的那輪權(quán)重作為最終模型。訓(xùn)練過(guò)程代碼大致這樣from torch.optim import AdamW # 第一階段只訓(xùn)練分類(lèi)頭 optimizer AdamW( filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr1e-3, weight_decay1e-4 ) for epoch in range(10): train_one_epoch(model, train_loader, optimizer, criterion) # 第二階段解凍部分骨干網(wǎng)絡(luò)降低學(xué)習(xí)率 for name, param in model.named_parameters(): if layer4 in name or layer3.3 in name or layer3.4 in name or layer3.5 in name: param.requires_grad True else: param.requires_grad False optimizer AdamW( filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr1e-5, weight_decay1e-4 ) for epoch in range(15): train_one_epoch(model, train_loader, optimizer, criterion) val_f1 evaluate(model, val_loader) if val_f1 best_f1: best_f1 val_f1 torch.save(model.state_dict(), best_model.pth)實(shí)測(cè)下來(lái)第一階段結(jié)束時(shí)驗(yàn)證集準(zhǔn)確率大概在86%左右第二階段跑到第6個(gè)epoch時(shí)驗(yàn)證集F1開(kāi)始明顯上升最終穩(wěn)定在93%上下。這個(gè)曲線非常有代表性——先快速起步然后平臺(tái)期最后小幅躍升。4. 訓(xùn)練結(jié)果復(fù)盤(pán)評(píng)估指標(biāo)、混淆矩陣與可視化4.1 評(píng)估指標(biāo)選擇準(zhǔn)確率之外還必須看召回率和F1分類(lèi)項(xiàng)目最忌諱只看準(zhǔn)確率。在醫(yī)學(xué)輔助篩查場(chǎng)景里漏診一個(gè)猴痘患者的代價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于誤報(bào)一次所以召回率Recall比精確率Precision更值得關(guān)注。如果模型在100個(gè)真實(shí)猴痘樣本里只識(shí)別出80個(gè)那20個(gè)漏掉的患者就是潛在傳染源。最終我在測(cè)試集上得到的結(jié)果是這樣的類(lèi)別精確率召回率F1-score樣本數(shù)猴痘病變0.940.890.92120其他皮膚病變0.910.960.93150正常皮膚0.980.940.96100整體準(zhǔn)確率94%加權(quán)F1 0.94Macro F1 0.93?？催@個(gè)表里的信息量不能只盯著94%這個(gè)數(shù)字。猴痘類(lèi)的召回率是0.89意味著仍有11%的真猴痘樣本被漏掉了。再看混淆矩陣漏掉的大多是被分到了其他皮膚病變這一類(lèi)只有極少數(shù)被分到了正常皮膚。這個(gè)錯(cuò)誤方向其實(shí)是符合預(yù)期的——猴痘早期病變和某些水皰性疾病視覺(jué)相似度太高模型判斷不了太正常了。但反過(guò)來(lái)看被漏掉的那些樣本是什么情況我把圖片一張張翻出來(lái)發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同特點(diǎn)病變區(qū)域占比非常小在整張224x224的圖片里只占不到十分之一。這說(shuō)明模型不是學(xué)不會(huì)猴痘特征而是注意力沒(méi)有被引導(dǎo)到病灶區(qū)域上。4.2 Grad-CAM可視化看模型到底在看哪里為了驗(yàn)證這個(gè)猜想我用Grad-CAM把模型最后一層卷積的注意力熱力圖疊加到原始圖像上。結(jié)果很清楚對(duì)于判斷正確的猴痘樣本熱力圖集中在病灶中央?yún)^(qū)域圍繞水皰邊緣有一圈高亮的響應(yīng)區(qū)域。這說(shuō)明模型學(xué)到的確實(shí)是病灶本身的形態(tài)特征。對(duì)于判斷錯(cuò)誤的猴痘樣本熱力圖分布非常散亂有的集中在皮膚紋理上有的甚至跑到圖片角落的背景區(qū)域。有一個(gè)典型的誤判樣本病灶在皮膚褶皺處陰影特別重?zé)崃D直接失效模型把大片陰影區(qū)域當(dāng)成了關(guān)鍵特征。這就是小樣本醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)的經(jīng)典痛點(diǎn)模型不是不想學(xué)病灶而是數(shù)據(jù)里病灶清晰、光照正常的干凈樣本太少學(xué)了半天還是被背景干擾帶偏了。這個(gè)問(wèn)題光靠調(diào)參解決不了最有效的辦法是訓(xùn)練前做一次目標(biāo)檢測(cè)定位病灶將病灶區(qū)域裁剪放大后再送入分類(lèi)模型。這一步能顯著提升小病灶樣本的識(shí)別率我后續(xù)測(cè)試也驗(yàn)證了這個(gè)判斷。4.3 訓(xùn)練曲線解讀兩階段特征變化帶來(lái)的啟發(fā)我記錄了每個(gè)epoch的loss和F1曲線兩階段的差異非常有意思。第一階段loss下降速度極快第一個(gè)epoch結(jié)束loss就從一個(gè)較高的初始值直接掉了下來(lái)但驗(yàn)證F1一直卡在85%到87%之間不漲。原因在于分類(lèi)頭在快速擬合特征分布的同時(shí)骨干網(wǎng)絡(luò)是凍結(jié)的它輸出的特征本身并沒(méi)有適配猴痘任務(wù)所以性能上限被鎖死了。第二階段一解凍前兩個(gè)epoch驗(yàn)證F1反而小幅下降。這個(gè)現(xiàn)象其實(shí)正常解凍后骨干網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重開(kāi)始被梯度修改特征分布發(fā)生偏移之前訓(xùn)練好的分類(lèi)頭對(duì)新特征分布一時(shí)不適應(yīng)。到第3個(gè)epoch開(kāi)始F1重新回升并迅速突破90%。如果你在微調(diào)時(shí)也看到這種V型曲線不要慌繼續(xù)跑就對(duì)了。這種凍結(jié)到解凍過(guò)程中的特征偏移可以類(lèi)比成一個(gè)裝修師傅先按舊戶(hù)型圖紙配好了家具尺寸突然改動(dòng)墻體后家具需要重新調(diào)整位置一開(kāi)始擺放自然會(huì)有短暫的混亂。5. 踩坑實(shí)錄類(lèi)別不平衡、過(guò)擬合與部署細(xì)節(jié)5.1 類(lèi)別不平衡加權(quán)采樣解決正常皮膚壓制問(wèn)題原始數(shù)據(jù)的類(lèi)別分布并不均勻正常皮膚圖片接近800張猴痘病變只有400張出頭其他皮膚病變500張左右。如果不做任何處理模型會(huì)傾向于把一切不確定樣本都判成樣本量最多的類(lèi)別表現(xiàn)在混淆矩陣?yán)锞褪呛锒活?lèi)召回率被拉低。解決辦法我試了兩種。第一種是給損失函數(shù)加類(lèi)別權(quán)重讓少數(shù)類(lèi)的梯度貢獻(xiàn)更大。交叉熵?fù)p失的weight參數(shù)按類(lèi)別樣本數(shù)的反比設(shè)置就好這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但訓(xùn)練時(shí)可能出現(xiàn)少數(shù)類(lèi)f1虛高而多數(shù)類(lèi)f1下降的副作用。第二種是采用WeightedRandomSampler在采樣階段讓每個(gè)batch里不同類(lèi)別的樣本數(shù)量相對(duì)均衡。我最終用的是第二種原因是我可以在保持損失函數(shù)干凈的前提下直接控制每個(gè)batch的類(lèi)別構(gòu)成。采樣器實(shí)現(xiàn)代碼如下from torch.utils.data import WeightedRandomSampler labels [int(sample[1]) for sample in dataset] class_counts torch.bincount(torch.tensor(labels)) class_weights 1.0 / class_counts.float() sample_weights class_weights[labels] sampler WeightedRandomSampler( sample_weights, num_sampleslen(sample_weights), replacementTrue )用上采樣器之后猴痘類(lèi)的召回率從0.83提升到0.89同時(shí)其他兩個(gè)類(lèi)的指標(biāo)沒(méi)有明顯回退。值得提醒的是replacementTrue意味著同一個(gè)樣本可能在同一個(gè)epoch里被反復(fù)抽到這時(shí)候隨機(jī)數(shù)據(jù)增強(qiáng)就特別重要——它能讓同一個(gè)樣本每次以不同的形態(tài)出現(xiàn)降低反復(fù)采樣帶來(lái)的過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)。5.2 過(guò)擬合排查從準(zhǔn)確率虛高到驗(yàn)證集停滯項(xiàng)目過(guò)程中我遇到過(guò)最典型的問(wèn)題訓(xùn)練集準(zhǔn)確率一路飆升到99.5%但驗(yàn)證集準(zhǔn)確率始終徘徊在90%上下怎么都上不去。這就是標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)擬合信號(hào)。我的排查順序是這樣的。先查數(shù)據(jù)泄漏。按患者ID分組劃分之后問(wèn)題依然存在。再查增強(qiáng)策略。我當(dāng)時(shí)一度懷疑增強(qiáng)強(qiáng)度不夠試過(guò)把rotation加到45度、scale下限降到0.5結(jié)果驗(yàn)證集F1反而掉了兩個(gè)點(diǎn)。最后在分類(lèi)頭里加Dropout層同時(shí)給全連接層加L2正則驗(yàn)證集F1提升了一個(gè)點(diǎn)左右但不夠解渴。真正讓驗(yàn)證集F1躍升到93%的操作是降低第二階段學(xué)習(xí)率。我從1e-4降到1e-5后驗(yàn)證曲線開(kāi)始緊貼訓(xùn)練曲線差距從9個(gè)百分點(diǎn)縮小到4個(gè)百分點(diǎn)。解決辦法比我預(yù)想的要樸素得多——微調(diào)階段學(xué)習(xí)率太高模型已經(jīng)鉆進(jìn)了訓(xùn)練集的牛角尖里出不來(lái)。5.3 推理階段細(xì)節(jié)ONNX導(dǎo)出與多次推理平均訓(xùn)練完成后還要考慮實(shí)際使用。PyTorch模型直接部署會(huì)遇到環(huán)境依賴(lài)問(wèn)題目標(biāo)機(jī)器得裝同樣版本的PyTorch和CUDA這在生產(chǎn)環(huán)境是件痛苦的事。我當(dāng)時(shí)把模型導(dǎo)出成了ONNX格式推理時(shí)用ONNX Runtime加載部署環(huán)境瞬間清爽了許多。import torch model.load_state_dict(torch.load(best_model.pth, map_locationcpu)) model.eval() dummy_input torch.randn(1, 3, 224, 224) torch.onnx.export( model, dummy_input, monkeypox_model.onnx, input_names[input], output_names[output], dynamic_axes{input: {0: batch}, output: {0: batch}} )推理階段還有個(gè)細(xì)節(jié)單張圖片的預(yù)測(cè)結(jié)果受增強(qiáng)隨機(jī)性影響很小因?yàn)橥评頃r(shí)已經(jīng)關(guān)了隨機(jī)增強(qiáng)但模型本身的Dropout層在eval模式下也會(huì)關(guān)閉所以輸出應(yīng)該是穩(wěn)定的。如果擔(dān)心極端情況下的抖動(dòng)可以連續(xù)推理三次取softmax概率的平均值再取argmax實(shí)測(cè)可以把極少數(shù)置信度在0.5邊緣的樣本穩(wěn)定下來(lái)。5.4 如果擴(kuò)展成多類(lèi)別皮膚病變識(shí)別猴痘病識(shí)別做順了之后很自然能想到擴(kuò)展成更通用的皮膚病分類(lèi)系統(tǒng)。思路和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備邏輯是完全一致的收集更多類(lèi)別的皮膚圖像按病變類(lèi)型建目錄做來(lái)源分組劃分沿用兩階段微調(diào)管線。唯一的差異在于類(lèi)別增加到十幾種之后類(lèi)別間的混淆會(huì)變得更加復(fù)雜混淆矩陣?yán)飼?huì)出現(xiàn)更多的非相鄰錯(cuò)誤。這時(shí)候可以考慮用層次分類(lèi)——先粗分成水皰性斑疹性鱗屑性幾個(gè)大類(lèi)再在每個(gè)大類(lèi)下細(xì)分具體疾病。層次分類(lèi)的好處是讓模型在每一層只需做少量類(lèi)別的區(qū)分錯(cuò)誤率天然比一個(gè)十幾分類(lèi)的扁平模型低。這個(gè)方向我準(zhǔn)備在P5周試試到時(shí)候有了新結(jié)果再回來(lái)更新。寫(xiě)在最后的小心得這個(gè)項(xiàng)目做下來(lái)最深的體會(huì)是圖像分類(lèi)項(xiàng)目的天花板大部分時(shí)候不是模型結(jié)構(gòu)決定的而是對(duì)數(shù)據(jù)的理解深度決定的。一開(kāi)始我也想著換更花哨的模型試過(guò)EfficientNet試過(guò)加SE模塊效果都不如老老實(shí)實(shí)解決數(shù)據(jù)泄漏和類(lèi)別不平衡問(wèn)題來(lái)得實(shí)在。后來(lái)把按患者分組劃分、兩階段微調(diào)、保守?cái)?shù)據(jù)增強(qiáng)這幾件事全部做對(duì)之后不用換模型測(cè)試集F1照樣從90%升到了94%。另外一個(gè)小建議所有涉及醫(yī)學(xué)圖像的項(xiàng)目在公布評(píng)估指標(biāo)時(shí)一定要附上混淆矩陣和數(shù)據(jù)劃分方式。準(zhǔn)確率這個(gè)數(shù)字太容易被玩壞了只有看到混淆矩陣和劃分邏輯別人才能真正判斷你的模型水平是真實(shí)能力還是泄漏出來(lái)的幻覺(jué)。如果你也在做類(lèi)似的細(xì)粒度圖像分類(lèi)項(xiàng)目希望這篇經(jīng)驗(yàn)帖能幫你少走那些我走過(guò)的彎路。特別是數(shù)據(jù)分組劃分這一步務(wù)必放在所有實(shí)驗(yàn)的最前面否則后面所有調(diào)參和優(yōu)化都是在沙地上建高樓。