BatchNormalization的理解

原文地址:http://blog.csdn.net/hjimce/article/details/50866313

Batch Normalization / Layer Normalization等的对比和原理分析

结论:对于RNN的神经网络结构来说,目前只有LayerNorm是相对有效的(Transformer, BERT,都用它);如果是GAN等图片生成或图片内容改写类型的任务,可以优先尝试InstanceNorm;如果使用场景约束BatchSize必须设置很小,无疑此时考虑使用GroupNorm;而其它任务情形应该优先考虑使用BatchNorm。

 

Batch Normalization导读(知乎好文)

 

反向传播式子中有w的存在,所以w的大小影响了梯度的消失和爆炸,batchnorm就是通过对每一层的输出规范为均值和方差一致的方法,消除了w带来的放大缩小的影响,进而解决梯度消失和爆炸的问题,或者可以理解为BN将输出从饱和区拉倒了非饱和区。
 

一、背景意义

《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by  Reducing Internal Covariate Shift》

好处:减少调参工作量

BN算法(Batch Normalization)其强大之处如下:

(1)你可以选择比较大的初始学习率,让你的训练速度飙涨。以前还需要慢慢调整学习率,甚至在网络训练到一半的时候,还需要想着学习率进一步调小的比例选择多少比较合适,现在我们可以采用初始很大的学习率,然后学习率的衰减速度也很大,因为这个算法收敛很快。当然这个算法即使你选择了较小的学习率,也比以前的收敛速度快,因为它具有快速训练收敛的特性;

(2)你再也不用去理会过拟合中drop out、L2正则项参数的选择问题,采用BN算法后,你可以移除这两项了参数,或者可以选择更小的L2正则约束参数了,因为BN具有提高网络泛化能力的特性;

(3)再也不需要使用使用局部响应归一化层了(Local Response Normalization)(局部响应归一化是Alexnet网络用到的方法,搞视觉的估计比较熟悉),因为BN本身就是一个归一化网络层;

(4)可以把训练数据彻底打乱(防止每批训练的时候,某一个样本都经常被挑选到,文献说这个可以提高1%的精度,这句话我也是百思不得其解啊)。

开始讲解算法前,先来思考一个问题:我们知道在神经网络训练开始前,都要对输入数据做一个归一化处理,那么具体为什么需要归一化呢?归一化后有什么好处呢?原因在于神经网络学习过程本质就是为了学习数据分布,一旦训练数据与测试数据的分布不同,那么网络的泛化能力也大大降低;另外一方面,一旦每批训练数据的分布各不相同(batch 梯度下降),那么网络就要在每次迭代都去学习适应不同的分布,这样将会大大降低网络的训练速度,这也正是为什么我们需要对数据都要做一个归一化预处理的原因。

对于深度网络的训练是一个复杂的过程,只要网络的前面几层发生微小的改变,那么后面几层就会被累积放大下去。一旦网络某一层的输入数据的分布发生改变,那么这一层网络就需要去适应学习这个新的数据分布,所以如果训练过程中,训练数据的分布一直在发生变化,那么将会影响网络的训练速度。

我们知道网络一旦train起来,那么参数就要发生更新,除了输入层的数据外(因为输入层数据,我们已经人为的为每个样本归一化),后面网络每一层的输入数据分布是一直在发生变化的,因为在训练的时候,前面层训练参数的更新将导致后面层输入数据分布的变化。以网络第二层为例:网络的第二层输入,是由第一层的参数和input计算得到的,而第一层的参数在整个训练过程中一直在变化,因此必然会引起后面每一层输入数据分布的改变。我们把网络中间层在训练过程中,数据分布的改变称之为:“Internal  Covariate Shift”。Paper所提出的算法,就是要解决在训练过程中,中间层数据分布发生改变的情况,于是就有了Batch  Normalization,这个牛逼算法的诞生。
 

对每个神经元,当前batch的该中间值进行归一化,学一组γ和β;N个神经元就有N组γ和β

对于CNN卷积层,整个特征图当成一个神经元,N个特征图(N个卷积核)就有N组γ和β;batch_size*weight*height个数据进行一组归一化;

γ和β是边训练边学习的;

测试阶段:

一个网络一旦训练完了,就没有了min-batch这个概念了。测试阶段我们一般只输入一个测试样本,看看结果而已。因此测试样本,前向传导的时候,上面的均值u、标准差σ 要哪里来?其实网络一旦训练完毕,参数都是固定的,这个时候即使是每批训练样本进入网络,那么BN层计算的均值u、和标准差都是固定不变的。我们可以采用这些数值来作为测试样本所需要的均值、标准差。对于均值来说直接计算所有batch u值的平均值;然后对于标准偏差采用每个batch σB的无偏估计(接近σB的均值)

 

(2)根据文献说,BN可以应用于一个神经网络的任何神经元上。文献主要是把BN变换,置于网络激活函数层的前面。在没有采用BN的时候,激活函数层是这样的:z=g(Wu+b)

也就是我们希望一个激活函数,比如s型函数s(x)的自变量x是经过BN处理后的结果。因此前向传导的计算公式就应该是:z=g(BN(Wu+b)) (先BN,再激活)

其实因为偏置参数b经过BN层后其实是没有用的,最后也会被均值归一化,当然BN层后面还有个β参数作为偏置项,所以b这个参数就可以不用了。因此最后把BN层+激活函数层就变成了:z=g(BN(Wu))
 

据该文作者说:感觉训练速度是以前的十倍以上

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