第4章 搭训练环
第 4 章 · 搭训练环
章节摘要：网络结构可以换，训练环不能缺。本章把卷积神经网络收到「给每个像素出类别」这一件事上，用一套动态图框架把数据、前向、损失、反向、保存串成能在一张消费级显卡上跑的最小闭环。不写框架对照长文，只写你今晚能跑通的那条路径。
本节地图
阅读完本章，你应当能够：
- 说明卷积、感受野、下采样如何把图变成特征，以及为何分割必须把空间尺寸还回去
- 写出「加载器 → 模型 → 损失 → 反向 → 优化器步进」的循环，并能在过拟合一张图上验证环没写反
- 为二类与多类选择交叉熵或 Dice，并解释像素准确率为何会骗人
- 看训练曲线判断学习率过大、过小或在背标签噪声
核心概念速览
金句：先让损失在一张图上降到接近零，再谈泛化。环是通的，模型才有资格被骂。
子章节导航
4.1 从卷积到像素分类
神经元、卷积核、池化、全连接在分类网里的角色，以及为何分割要把全连接换成卷积，让任意分辨率的图都能出同尺寸的分数图。
4.2 用一张卡跑通训练环
以动态图风格写模块、写循环。静态图框架能做同一件事，但本教程选定一条路走到底，避免对照占用篇幅。重点是过拟合单图、保存与加载、把掩码的数据类型对齐到损失。
4.3 损失、指标与优化器
交叉熵管像素分类，Dice 管重叠。SGD、动量、Adam 怎么影响边界抖动。mIoU、Dice、精确率、召回率何时一起看。
子章节之间的逻辑关系
先懂卷积为什么能扫图，再把扫图接到可运行的循环，最后把循环里的标量换成分割真正该优化的量。
4.1 卷积积木 ──► 4.2 最小训练环 ──► 4.3 损失与尺子 │ └► 过拟合单图验收
本章怎么练
三节的交卷物是：一张尺寸账（每层高宽通道）、一段能过拟合单图的循环、一份损失与指标函数（含背景开关）。缺尺寸账，融合时会差一圈像素。缺单图过拟合，全量不收敛时无法归因。缺纯指标函数，训练日志和客户报告会各说各话。
本章不对比两套框架的语法。团队若已有静态图训练脚本，把掩码形状和 Dice 接进去即可，不必重写。选定一条路后，第 5 章所有结构都往这条环上插模块，不另开炉灶。
| 验收 | 通过标准 |
|---|---|
| 尺寸 | 输出与掩码同高同宽 |
| 单图 | 叠图逼近真值，损失接近零 |
| 指标 | 与报告同一是否含背景 |
| 存盘 | 含均值方差、边长、类表 |
⚠️ 只看损失下降、不看叠图，会把前景全灭当成胜利。
💡 环是通的，模型才有资格被骂容量不够。
三节对应三种 bug 产地：尺寸账、循环与设备、损失口径。出问题按这个顺序查，不要先换 Adam。单图过拟合是本章的编译器：过不了不要提交全量实验。选定动态图循环之后，禁止再维护一套「演示用」的高层 fit 脚本，两套口径会在第 6 章打架。把 logits 形状打印留在代码里，比写长注释有用。
把单图过拟合截图和 logits 形状日志贴进合并请求。没有这两样，全量实验视为未就绪。环的代码冻结后只允许换模块对象，不允许再开一套 fit。口径打架比结构落后更伤。
合并请求模板三附件：尺寸账、单图叠图、logits 形状。缺一拒合。环冻结清单写明「允许换模块对象，不允许新开 fit」。有人图快再写一套高层封装，评审应要求删除或证明口径一致。口径一致比结构新颖优先。
三附件缺一的合并请求直接关闭重开。环冻结后的 fit 新封装在代码搜索里应为零命中。有命中就删。单图叠图必须能看出类别颜色，灰度糊图不算附件。
搜索命中新 fit 即删。叠图附件要上色。关闭重开的请求必须带三附件再来。环冻结清单贴在仓库根说明，避免口头传达丢失。单图不过拟合的全量作业调度器直接拒绝。尺寸账、叠图、形状日志三件套成为本章的编译器输出。
单图不过拟合，全量作业调度器必须拒绝，不许用「先跑着看曲线」绕过编译器。
前置知识与后续延伸
- 前置：第 2 章加载器；第 3 章至少有一种基线掩码，便于对比「网络是否真的比阈值强」。加载器断言失败时不要开始训。
- 后续：第 5 章把 4.2 里的玩具头换成 FCN、U-Net、DeepLab、Mask R-CNN；第 6 章在真数据集上调参。换头不换环，是本章存在的理由。
- 时间：一个晚上写环并过拟合单图。写不完通常卡在形状和设备，而不是卡在优化器名字。三附件不齐的合并请求直接关闭。调度器应拒绝单图未通过的全量作业。环冻结后禁止再开第二套训练封装。搜索到新的高层 fit 封装就删掉，只保留一条循环。没有上色叠图的合并请求同样关闭。形状日志缺失同样关闭。三件套齐了才算环通过编译。缺一件就重开请求。
本章故意短而硬。很多人把「会调用现成分割库」当成会训练，结果改损失改不动、改学习率看不懂曲线。把环写明白，第 5 章的结构图才不是装饰。