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Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python


Hai mai sentito parlare del transfer learning? Si tratta di una tecnica avanzata di machine learning che permette di sfruttare i modelli pre-addestrati per risolvere nuove e differenti sfide di apprendimento automatico. Se sei interessato a ottenere il massimo dai tuoi modelli di machine learning senza dover partire da zero ogni volta, allora il transfer learning potrebbe essere la soluzione che stai cercando.


In questo articolo, esamineremo cos'è il transfer learning, come funziona e quali sono i suoi vantaggi rispetto all'addestramento di un modello da zero. Daremo uno sguardo agli esempi di utilizzo del transfer learning in Python, e vedremo come questa tecnica viene utilizzata in diverse applicazioni, come il riconoscimento delle immagini, il natural language processing e altro. Infine, esamineremo alcune delle sfide e limitazioni del transfer learning e daremo uno sguardo alle prospettive future di questa tecnica in continua evoluzione.


Se sei pronto a scoprire come ottenere il massimo dai tuoi modelli di machine learning con il transfer learning, allora non perderti questo articolo!



Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python
Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python


Indice degli argomenti transfer learning :


Introduzione al transfer learning

Se sei appassionato di machine learning, probabilmente sai già quanto può essere impegnativo addestrare un modello di machine learning da zero. Innanzitutto, è necessario raccogliere e pulire i dati, quindi scegliere un algoritmo di apprendimento automatico e ottimizzarne i parametri. Tutto questo può richiedere una notevole quantità di tempo e risorse di calcolo, soprattutto se si lavora con modelli di rete neurale complessi.


Ecco dove entra in gioco il transfer learning. Invece di addestrare un modello da zero, il transfer learning permette di utilizzare un modello già addestrato per risolvere una nuova sfida di apprendimento automatico. In questo modo, è possibile sfruttare il lavoro svolto da altri ricercatori e ottenere risultati di alta qualità senza dover ricominciare da zero ogni volta.


Ora addentriamoci leggermente più nel tecnico e vediamo nello specifico Cos'è il transfer learning ...


Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python
Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python

Cos'è il transfer learning?

Il transfer learning è una tecnica di machine learning che permette di utilizzare un modello pre-addestrato per risolvere una nuova sfida di apprendimento automatico. In altre parole, il transfer learning implica il trasferimento di conoscenze acquisite durante l'addestramento di un modello su un nuovo compito.


Ci sono due tipi principali di transfer learning. Il primo tipo di transfer learning si verifica quando il nuovo compito e il compito originale hanno lo stesso numero di classi e lo stesso dominio di dati. Ad esempio, se il modello originale è stato addestrato per classificare recensioni di prodotti tecnologici in inglese, il transfer learning potrebbe essere utilizzato per addestrare un nuovo modello per classificare recensioni di prodotti digitali sempre in inglese.


Il secondo tipo transfer learning, invece, si verifica quando il nuovo compito e il compito originale hanno un numero diverso di classi o un dominio di dati diverso.


Per utilizzare il transfer learning, è necessario selezionare un modello pre-addestrato adeguato come punto di partenza. A seconda del compito specifico, potrebbe essere necessario apportare alcune modifiche al modello, come il fine-tuning dei pesi o il congelamento di alcuni strati.


Il transfer learning è una tecnica estremamente utile per ottenere prestazioni migliori dai modelli di machine learning, soprattutto quando si lavora con modelli di rete neurale complessi che richiedono molto tempo e risorse di calcolo per essere addestrati da zero. Inoltre, il transfer learning permette di sfruttare il lavoro svolto da altri ricercatori e ottenere risultati di alta qualità senza dover ricominciare da zero ogni volta. Tuttavia, è importante considerare le sfide e le limitazioni del transfer learning per scegliere la tecnica più adeguata per il proprio compito specifico.


Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python
Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python

Storia e origini del transfer learning

Il concetto di transfer learning è stato introdotto per la prima volta negli anni '90, ma è diventato particolarmente popolare negli ultimi anni con l'exploit del deep learning.


Da allora, il transfer learning è stato ampiamente utilizzato in diversi ambiti di applicazione, come il riconoscimento delle immagini, il natural language processing e il riconoscimento delle parole parlate. Con l'aumento della potenza di calcolo e l'espansione delle librerie di deep learning, come PyTorch e TensorFlow, il transfer learning è diventato una tecnica sempre più accessibile e popolare tra i ricercatori di machine learning.


Oggi, il transfer learning è una tecnica indispensabile per ottenere il massimo dai modelli di machine learning, soprattutto quando si lavora con modelli di rete neurale complessi. Continua a essere un campo in rapida evoluzione, con nuove tecniche e approcci che vengono sviluppati di continuo per massimizzare le prestazioni dei modelli di machine learning con il transfer learning.


Vantaggi del transfer learning:

Il transfer learning offre molti vantaggi rispetto all'addestramento di un modello di machine learning da zero, tra i quali:

  • Risparmio di tempo e risorse di calcolo: il transfer learning permette di utilizzare modelli pre-addestrati, risparmiando tempo e risorse di calcolo necessari per addestrarne uno da zero.

  • Accesso a modelli di alta qualità: il transfer learning permette di sfruttare il lavoro svolto da altri ricercatori e utilizzare modelli di alta qualità già addestrati su grandi quantità di dati.

  • Miglioramento delle prestazioni: il transfer learning può aiutare a migliorare le prestazioni di un modello, specialmente quando il nuovo compito è simile al compito originale per cui il modello è stato addestrato.

  • Riduzione dell'overfitting: il transfer learning può aiutare a ridurre il rischio di overfitting, poiché il modello pre-addestrato fornisce un buon punto di partenza per il nuovo compito, con una quantità di parametri già ottimizzati.

  • Incremento della generalizzazione: il transfer learning può aumentare la capacità del modello di generalizzare alle nuove situazioni, poiché il modello pre-addestrato ha già acquisito alcune conoscenze di base su come risolvere problemi simili.


Come scegliere il modello di partenza per il transfer learning?

La scelta del modello di partenza adeguato è cruciale per il successo del transfer learning. Per selezionare il modello più adeguato, è necessario considerare diverse variabili, tra cui il compito specifico, la quantità di dati disponibili e la disponibilità di risorse di calcolo.


Innanzitutto, è importante considerare il compito specifico per cui si vuole utilizzare il transfer learning. Ad esempio, se si vuole addestrare un modello per il riconoscimento delle immagini, potrebbe essere utile utilizzare un modello pre-addestrato per il riconoscimento delle immagini come punto di partenza. In questo modo, si può sfruttare la conoscenza acquisita dal modello originale per risolvere il nuovo compito in modo più efficiente.


Inoltre, è importante considerare la quantità di dati disponibili per il nuovo compito. Se i dati sono scarsi, potrebbe essere più utile utilizzare un modello di dimensioni più piccole come punto di partenza, poiché questi modelli hanno meno parametri da ottimizzare e quindi richiedono meno dati per addestrarsi. Al contrario, se i dati sono abbondanti, un modello più grande potrebbe essere più adeguato come punto di partenza, poiché questi modelli hanno maggiori capacità di apprendimento e possono trarre vantaggio da una maggiore quantità di dati.


Infine, è importante considerare la disponibilità di risorse di calcolo per l'addestramento del modello. Se si dispone di risorse limitate, potrebbe essere più conveniente utilizzare un modello più leggero come punto di partenza, poiché questi modelli richiedono meno risorse di calcolo per l'addestramento. Al contrario, se si dispone di risorse di calcolo abbondanti, potrebbe essere più vantaggioso utilizzare un modello più grande come punto di partenza, poiché questi modelli possono trarre vantaggio dall'incremento delle risorse disponibili.


Esempio di utilizzo del transfer learning in Python

Molte aziende offrono modelli pre-addestrati, uno dei quali è Hugging Face lanciato nel 2017. Il loro focus è sui compiti di NLP e la loro libreria è basata su PyTorch e TensorFlow e fornisce varie risorse, tra cui l'accesso a dataset e transformer. Quest'ultimo è un modo facile per utilizzare modelli pre-addestrati di NLP. Uno dei modelli NLP più popolari è BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers), con un approccio bidirezionale che permette al modello di considerare l'intera sequenza di parole in una volta sola [12].

Useremo Hugging Face per l'analisi del sentimento. Innanzitutto, installeremo i transformer, se non sono già disponibili nell'ambiente:



!pip install transformer


In un tipico pipeline NLP, vengono eseguite diverse operazioni di pre-elaborazione e preparazione dei dati per addestrare e affinare il modello. Hugging Face fornisce pipeline che eseguono tutti questi passaggi con pochi righe di codice. In sostanza, le pipeline sono composte da un tokenizzatore e da un modello per eseguire il compito sul testo di input.

Di seguito, utilizzeremo una pipeline per l'analisi del sentimento utilizzando BERT su questo testo:


"Il transfer learning può aiutare a superare problemi legati alla dipendenza eccessiva dai dati nel machine learning".



# Importa la pipeline
from transformer import pipeline

# Inizializza la pipeline con il modello predefinito 
classificatore = pipeline('sentiment-analysis')

# Esegue l'analisi del sentimento sul testo seguente

classificatore(''Transfer learning can help overcome issues related to over-reliance on data in machine learning')

La pipeline di cui sopra produce un'etichetta "Positiva" e uno "score" di "0.908". Possiamo definire un modello nel classificatore e eseguire l'analisi. Di seguito useremo "sentiment-roberta-large-english"



# Inizializza la pipeline con il modello selezionato
classificatore = pipeline('sentiment-analysis', mode='siebert/sentiment-roberta-large-english')

# Esegue l'analisi del sentimento sul testo seguente
classificatore('Transfer learning can help overcome issues related to over-reliance on data in machine learning')

La pipeline di cui sopra produce un'etichetta "Positiva" e uno "score" di "0.998". Si tratta di un leggero miglioramento rispetto al modello predefinito.


Siamo passati da "0.908" a "0.998". Molto probabilmente sembrerà banale ma pensa se questo modello servisse a diagnosticare il cancro ? Questo miglioramento adesso non lo vedi più come banale giusto?



Applicazioni del transfer learning?

Il transfer learning viene utilizzato in diverse applicazioni di machine learning, tra cui il riconoscimento delle immagini e il natural language processing (NLP).


Nel riconoscimento delle immagini, il transfer learning viene spesso utilizzato per la creazione di modelli di rete neurale in grado di riconoscere oggetti, animali, persone e altri elementi presenti in un'immagine. Ad esempio, un modello pre-addestrato su un dataset di immagini di gatti può essere utilizzato come punto di partenza per il riconoscimento di cani o uccelli. In questo modo, è possibile ottenere buone prestazioni senza dover addestrare un modello da zero, che richiederebbe un enorme quantità di dati e risorse di calcolo.


Nel natural language processing, il transfer learning viene utilizzato per la creazione di modelli di rete neurale in grado di comprendere e processare il linguaggio naturale. Ad esempio, un modello pre-addestrato per il riconoscimento delle parole può essere utilizzato come punto di partenza per il riconoscimento delle frasi o per il machine translation. Anche in questo caso, il transfer learning consente di ottenere buone prestazioni senza dover addestrare un modello da zero, che richiederebbe un enorme quantità di dati e risorse di calcolo. In ogni caso, il transfer learning consente di ottenere buone prestazioni senza dover addestrare un modello da zero, utilizzando modelli pre-addestrati come punto di partenza.


Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python
Transfer learning cos'è e come ottenere il massimo dai modelli di machine learning con python



Sfide e limitazioni del transfer learning

Nonostante i molti vantaggi, il transfer learning presenta anche alcune sfide e limitazioni.


Una delle maggiori sfide è la scelta del modello di partenza adeguato. Se il modello di partenza è troppo specifico, potrebbe non essere sufficientemente generalizzato per il nuovo task. Se il modello di partenza è troppo generico, potrebbe non essere sufficientemente specifico per il nuovo task. Scegliere il modello di partenza adeguato richiede quindi una certa esperienza e conoscenza delle caratteristiche del nuovo task.


Un'altra sfida è l'eventuale necessità di adattare il modello di partenza per il nuovo task. Ad esempio, potrebbe essere necessario rimuovere alcuni strati del modello di partenza o aggiungere nuovi strati. Anche questa operazione richiede una certa esperienza e conoscenza delle caratteristiche del nuovo task.


Un'altra limitazione del transfer learning è il fatto che i modelli di partenza sono spesso addestrati su dataset molto grandi, il che potrebbe rendere difficile l'utilizzo del transfer learning in situazioni in cui sono disponibili solo pochi dati.


Infine, il transfer learning potrebbe non essere adeguato in situazioni in cui il nuovo task è radicalmente diverso dal task per il quale il modello di partenza è stato addestrato. Ad esempio, il transfer learning potrebbe non essere efficace per il riconoscimento delle immagini in un nuovo dominio, come il riconoscimento delle piante, se il modello di partenza è stato addestrato per il riconoscimento degli animali.


Conclusioni sul transfer learning

In conclusione, il transfer learning è una tecnica avanzata di machine learning che consente di ottenere buone prestazioni utilizzando modelli pre-addestrati come punto di partenza. Il transfer learning viene utilizzato in diverse applicazioni di machine learning, come il riconoscimento delle immagini e il natural language processing, e presenta molti vantaggi rispetto all'addestramento di un modello da zero. Tuttavia, il transfer learning presenta anche alcune sfide e limitazioni, come la scelta del modello di partenza adeguato e la possibile necessità di adattare il modello di partenza per il nuovo task.


Grazie per aver letto questo articolo sull'utilizzo del transfer learning per ottenere prestazioni migliori dai modelli di machine learning. Spero che questo articolo ti abbia fornito una panoramica chiara e dettagliata su questa tecnica avanzata. Se l'hai trovato utile, ti sarei grato se volessi condividerlo con i tuoi amici e colleghi. Grazie ancora per aver letto questo articolo e ti auguro un buon proseguimento.

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