作者:Double_V_ 来源:CSDN 原文:https://blog.csdn.net/qq_25737169/article/details/79048516 版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文链接!
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参考了这个博客, 博主写的非常好 https://blog.csdn.net/qq_25737169/article/details/79048516
前言:Batchnorm是深度网络中经常用到的加速神经网络训练,加速收敛速度及稳定性的算法,可以说是目前深度网络必不可少的一部分。
本文旨在用通俗易懂的语言,对深度学习的常用算法–batchnorm的原理及其代码实现做一个详细的解读。本文主要包括以下几个部分。
第一节:Batchnorm主要解决的问题
首先,此部分也即是讲为什么深度网络会需要batchnormbatchnormbatchnorm,我们都知道,深度学习的话尤其是在CV上都需要对数据做归一化,因为深度神经网络主要就是为了学习训练数据的分布,并在测试集上达到很好的泛化效果,但是,如果我们每一个batch输入的数据都具有不同的分布,显然会给网络的训练带来困难。另一方面,数据经过一层层网络计算后,其数据分布也在发生着变化,此现象称为InternalInternalInternal CovariateCovariateCovariate ShiftShiftShift,接下来会详细解释,会给下一层的网络学习带来困难。batchnormbatchnormbatchnorm直译过来就是批规范化,就是为了解决这个分布变化问题。
1.1 Internal Covariate Shift
Internal Covariate Shift :此术语是google小组在论文BatchBatchBatch NormalizatoinNormalizatoinNormalizatoin 中提出来的,其主要描述的是:训练深度网络的时候经常发生训练困难的问题,因为,每一次参数迭代更新后,上一层网络的输出数据经过这一层网络计算后,数据的分布会发生变化,为下一层网络的学习带来困难(神经网络本来就是要学习数据的分布,要是分布一直在变,学习就很难了),此现象称之为InternalInternalInternal CovariateCovariateCovariate ShiftShiftShift。
Batch Normalizatoin 之前的解决方案就是使用较小的学习率,和小心的初始化参数,对数据做白化处理,但是显然治标不治本。
1.2 covariate shift
Internal Covariate Shift 和CovariateShift具有相似性,但并不是一个东西,前者发生在神经网络的内部,所以是Internal,后者发生在输入数据上。Covariate Shift主要描述的是由于训练数据和测试数据存在分布的差异性,给网络的泛化性和训练速度带来了影响,我们经常使用的方法是做归一化或者白化。想要直观感受的话,看下图:
Covariate Shift 就是描述的输入数据分布不一致的现象,对数据做归一化当然可以加快训练速度,能对数据做去相关性,突出它们之间的分布相对差异就更好了。Batchnorm做到了,前文已说过,Batchnorm是归一化的一种手段,极限来说,这种方式会减小图像之间的绝对差异,突出相对差异,加快训练速度。所以说,并不是在深度学习的所有领域都可以使用BatchNorm,下文会写到其不适用的情况。
第二节:Batchnorm 原理解读
本部分主要结合原论文部分,排除一些复杂的数学公式,对BatchNorm的原理做尽可能详细的解释。
之前就说过,为了减小Internal Covariate Shift,对神经网络的每一层做归一化不就可以了,假设将每一层输出后的数据都归一化到0均值,1方差,满足正太分布,但是,此时有一个问题,每一层的数据分布都是标准正太分布,导致其完全学习不到输入数据的特征,因为,费劲心思学习到的特征分布被归一化了,因此,直接对每一层做归一化显然是不合理的。
但是如果稍作修改,加入可训练的参数做归一化,那就是BatchNorm实现的了,接下来结合下图的伪代码做详细的分析:
之所以称之为batchnorm是因为所norm的数据是一个batch的,
1.先求出此次批量数据xxx的均值
2.求出此次batch的方差
3.接下来就是对xxx做归一化