深度学习之卷积神经网络(8)BatchNorm层

深度学习之卷积神经网络(8)BatchNorm层

  • BatchNorm层概念
  • BatchNorm层实现
    • 1. 向前传播
    • 2. 反向更新
    • 3. BN层实现
    • 4. 完整代码

卷积神经网络的出现,网络参数量大大减低,使得几十层的深层网络称为可能。然而,在残差网络出现之前,网络的加深使得网络训练变得十分不稳定,甚至出现网络长时间不更新甚至不收敛的现象,同时网络对超参数比较敏感,超参数的微量扰动也会导致网络的训练轨迹完全改变。

 2015年,Google研究人员Sergey Ioffe等提出了一种参数标准化(Normalize)的手段,并基于参数标准化设计了Batch Normalization(简写为BatchNorm,或BN)层。BN层的提出,使得网络的超参数的设定更加自由,比如更大的学习率、更随意的网络初始化等,同时网络的收敛速度更快,性能也更好。BN层提出后便广泛地应用在各种深度网络模型上,卷积层、BN层、ReLU层、池化层一度成为网络模型的标配单元块,通过堆叠Conv-BN-ReLU-Pooling方式往往可以获得不错的模型性能。

BatchNorm层概念


 首先我们来探索,为什么需要对网络中的数据进行标准化操作?这个问题很难从理论层面解释透彻,即使是BN层的作者给出的解释也未必让所有人信服。与其纠结其缘由,不如通过具体问题来感受数据标准化后的好处。

 考虑Sigmoid激活函数和它的梯度分布,如下图所示,Sigmoid函数在 x ∈ [ − 2 , 2 ] x∈[-2,2] x[2,2]区间的导数值在 [ 0.1 , 0.25 ] [0.1,0.25] [0.1,0.25]区间分布; 当 x > 2 x>2 x>2 x < − 2 x<-2 x<2时,Sigmoid函数的导数变得很小,逼近于0,从而容易出现梯度弥散现象。为了避免因为输入较大或者较小而导致Sigmoid函数出现梯度弥散现象,将函数输入x标准化映射到0附近的一段较小区间将变得非常重要,可以从下图看到,通过标准化重映射后,值被映射在0附近,此处的导数值不至于过小,从而不容易出现梯度弥散现象。这时使用标准化手段收益的一个例子。

深度学习之卷积神经网络(8)BatchNorm层_第1张图片

Sigmoid函数及其导数曲线


 我们再看另一个例子。考虑2个输入节点的线性模型,如图所示:
L = a = x 1 w 1 + x 2 w 2 + b \mathcal L=a=x_1 w_1+x_2 w_2+b L=a=x1w1+x2w2+b
讨论如下两种输入分布下的问题:

  • 输入 x 1 ∈ [ 1 , 10 ] , x 2 ∈ [ 1 , 10 ] x_1∈[1,10],x_2∈[1,10] x1[1,10],x2[1,10]
  • 输入 x 1 ∈ [ 1 , 10 ] , x 2 ∈ [ 100 , 1000 ] x_1∈[1,10],x_2∈[100,1000] x1[1,10],x2[100,1000]


由于模型相对简单,可以绘制出两种 x 1 x_1 x1 x 2 x_2 x2下,函数的损失等高线图,图(b)是 x 1 ∈ [ 1 , 10 ] , x 2 ∈ [ 100 , 1000 ] x_1∈[1,10],x_2∈[100,1000] x1[1,10],x2[100,1000]时的某条优化轨迹线示意,图(c)是 x 1 ∈ [ 1 , 10 ] , x 2 ∈ [ 1 , 10 ] x_1∈[1,10],x_2∈[1,10] x1[1,10],x2[1,10]时的某条优化轨迹线示意,图中的圆环中心即为全局极值点。

深度学习之卷积神经网络(8)BatchNorm层_第2张图片

数据标准化举例示意图


考虑到:
∂ L ∂ w 1 = x 1 ∂ L ∂ w 2 = x 2 \frac{∂\mathcal L}{∂w_1}=x_1\\ \frac{∂\mathcal L}{∂w_2}=x_2 w1L=x1w2L=x2
x 1 x_1 x1 x 2 x_2 x2输入分布相近时, ∂ L ∂ w 1 \frac{∂\mathcal L}{∂w_1} w1L ∂ L ∂ w 2 \frac{∂\mathcal L}{∂w_2} w2L偏导数值相当,函数的优化轨迹如图(c)所示; 当 x 1 x_1 x1 x 2 x_2 x2输入分布差距较大时,比如 x 1 ≪ x 2 x_1≪x_2 x1x2,则:
∂ L ∂ w 1 ≪ ∂ L ∂ w 2 \frac{∂\mathcal L}{∂w_1}≪\frac{∂\mathcal L}{∂w_2} w1Lw2L
损失函数等势线在 w 2 w_2 w2轴更加陡峭,某条可能的优化轨迹如图(b)所示。对比两条优化轨迹线可以观察到, x 1 x_1 x1 x 2 x_2 x2分布相近时图(c)中收敛更加快速,优化轨迹更理想。

 通过上述的两个例子,我们能够经验性归纳出: 网络层输入 x x x分布相近,并且分布在较小范围内时(如0附近),更有利于函数的优化。那么如何保证输入 x x x分布相近呢?数据标准化可以实现此目的,通过数据标准化操作可以将数据 x x x映射到 x ^ \hat{x} x^:
x ^ = x − μ r σ r 2 + ϵ \hat{x}=\frac{x-μ_r}{\sqrt{σ_r^2+ϵ}} x^=σr2+ϵ xμr
其中 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2来自统计的所有数据的均值和方差, ϵ ϵ ϵ是为防止出现除0错误而设置的较小的数字,如 1 e − 8 1e-8 1e8
在基于Batch的训练阶段,如何获取每个网络层所有输入的统计数据 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2呢?考虑Batch内部的均值 μ B μ_B μB和方差 σ B 2 σ_B^2 σB2:
μ B = 1 m ∑ i = 1 m x i μ_B=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^mx_i μB=m1i=1mxi
σ B 2 = 1 m ∑ i = 1 m ( x i − μ B ) 2 σ_B^2=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^m(x_i-μ_B)^2 σB2=m1i=1m(xiμB)2
可以视为近似于 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2,其中 m m m为Batch样本数。因此,在训练阶段,通过
x ^ t r a i n = x t r a i n − μ B σ B 2 + ϵ \hat{x}_{train}=\frac{x_{train}-μ_B}{\sqrt{σ_B^2+ϵ}} x^train=σB2+ϵ xtrainμB
标准化输入,并记录每个Batch的统计数据 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2,用于统计真实的全局 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2

 在测试阶段,根据记录的每个Batch的 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2估计出所有训练数据的 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2,按着
x ^ t e s t = x t e s t − μ r σ r 2 + ϵ \hat{x}_{test}=\frac{x_{test}-μ_r}{\sqrt{σ_r^2+ϵ}} x^test=σr2+ϵ xtestμr
将每层的输入标准化。

 上述的标准化运算并没有引入额外的待优化变量, μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2均由统计得到,不需要参与梯度更新。实际上为了提高BN层的表达能力,BN层作者引入了“scale and shift”技巧,将 x ^ \hat{x} x^变量再次映射变换:
x ~ = x ^ ⋅ γ + β \tilde{x}=\hat{x}\cdotγ+β x~=x^γ+β
其中 γ γ γ参数实现对标准化后的 x ^ \hat{x} x^再次进行缩放, β β β参数实现对标准化后的 x ^ \hat{x} x^进行平移,不同的是, γ γ γ β β β参数均由反向传播算法自动优化,实现网络层“按需”缩放平移数据的分布的目的。

 下面我们来学习在TensorFlow中实现的BN层的方法。

BatchNorm层实现

1. 向前传播

 我们将BN层的输入记为 x x x,输出记为 x ^ \hat{x} x^。分训练阶段和测试阶段来讨论前向传播过程。

训练阶段: 首先计算当前Batch的 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2,根据
x ^ t r a i n = x t r a i n − μ B σ B 2 + ϵ ⋅ γ + β \hat{x}_{train}=\frac{x_{train}-μ_B}{\sqrt{σ_B^2+ϵ}}\cdotγ+β x^train=σB2+ϵ xtrainμBγ+β
计算BN层的输出。

 同时按照
μ r ← momentum ⋅ μ r + ( 1 − momentum ) ⋅ μ B σ r 2 ← momentum ⋅ σ r 2 + ( 1 − momentum ) ⋅ σ B 2 μ_r←\text{momentum}\cdotμ_r+(1-\text{momentum})\cdotμ_B\\ σ_r^2←\text{momentum}\cdotσ_r^2+(1-\text{momentum})\cdotσ_B^2 μrmomentumμr+(1momentum)μBσr2momentumσr2+(1momentum)σB2
迭代更新全局训练数据的统计值 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2,其中 momentum \text{momentum} momentum是需要设置一个超参数,用于平衡 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2的更新幅度:

momentum = 0 \text{momentum}=0 momentum=0时, μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2直接被设置为最新一个Batch的 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2;

momentum = 1 \text{momentum}=1 momentum=1时, μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2保持不变,忽略最新一个Batch的 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2;

在TensorFlow中, momentum \text{momentum} momentum默认设置为0.99。

测试阶段: BN层根据
x ~ t e s t = x t e s t − μ r σ r 2 + ϵ ⋅ γ + β \tilde{x}_{test}=\frac{x_{test}-μ_r}{\sqrt{σ_r^2+ϵ}}\cdotγ+β x~test=σr2+ϵ xtestμrγ+β
计算出 x ~ t e s t \tilde{x}_{test} x~test,其中 μ r μ_r μr σ r 2 σ_r^2 σr2 γ γ γ β β β均来自训练阶段统计或优化的结果,在测试阶段直接使用,并不会更新这些参数。

2. 反向更新

 在训练模式下的反向更新阶段,反向传播算法根据损失 L \mathcal L L求解梯度 ∂ L ∂ γ \frac{∂\mathcal L}{∂γ} γL ∂ L ∂ β \frac{∂\mathcal L}{∂β} βL,并按着梯度更新法则自动优化 γ γ γ β β β参数。

 需要注意的是,对于2D特征图输入 X : [ b , h , w , c ] \boldsymbol X:[b,h,w,c] X:[b,h,w,c],BN层并不是计算每个点的 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2,而是在通道轴 c c c上面统计每个通道上面所有数据的 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2,因此 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2是每个通道上所有其它维度的均值和方差。以shape为 [ 100 , 32 , 32 , 3 ] [100,32,32,3] [100,32,32,3]为例,在通道轴 c c c上面的均值计算如下:

import tensorflow as tf

# 构造输入
x = tf.random.normal([100,32,32,3])
# 将其他维度合并,仅保留通道维度
x = tf.reshape(x, [-1,3])
# 计算其他维度的均值
ub = tf.reduce_mean(x, axis=0)
print(ub)


运行结果如下:
在这里插入图片描述


数据有 c c c个通道数,则有 c c c个均值产生。

 除了在 c c c轴上面统计数据 μ B μ_B μB σ B 2 σ_B^2 σB2的方式,我们也很容易将其推广至其它维度计算均值的方式,如图所示:

  • Layer Norm: 统计每个样本的所有特征的均值和方差
  • Instance Norm: 统计每个样本的每个通道上特征的均值和方差
  • Group Norm: 将 c c c通道分成若干组,统计每个样本的通道组内的特征均值和方差

 上面提到的Normalization方法均由独立的几篇论文提出,并在某些应用上验证了其相当于或者由于BatchNorm算法的效果。由此可见没深度学习算法研究并非难于上青天,只要多思考、多锻炼算法工程能力,人人都有机会发表创新性成果。
深度学习之卷积神经网络(8)BatchNorm层_第3张图片

不同标准化方案示意图

3. BN层实现

 在TensorFlow中,通过layers.BatchNormalization()类可以非常方便地实现BN层:

# 创建BN层
layer = layers.BatchNormalization()

与全连接层、卷积层不同,BN层的训练阶段和测试阶段的行为不同,需要通过设置training标志位来区分训练模式还是测试模式。

 以LeNet-5的网络模型为例,在卷积层后添加BN层,代码如下:

network = Sequential([  # 网络容器
    layers.Conv2D(6, kernel_size=3, strides=1),  # 第一个卷积层,6个3×3卷积核
    # 插入BN层
    layers.BatchNormalization(),
    layers.MaxPooling2D(pool_size=2, strides=2),  # 高宽各减半的池化层
    layers.ReLU(),  # 激活函数
    layers.Conv2D(16, kernel_size=2, strides=1),  # 第二个卷积层,16个3×3卷积核
    # 插入BN层
    layers.BatchNormalization(),
    layers.MaxPooling2D(pool_size=2, strides=2),  # 高宽各减半的池化层
    layers.ReLU(),  # 激活函数
    layers.Flatten(),  # 打平层,方便全连接层处理
    layers.Dense(120, activation='relu'),  # 全连接层,120个节点
    # 此处也可以插入BN层
    layers.Dense(84, activation='relu'),  # 全连接层,84个节点
    # 此处也可以插入BN层
    layers.Dense(10),  # 全连接层,10个节点
])


在训练阶段,需要设置网络的参数training=True以区分BN层是训练还是测试模型,代码如下:

with tf.GradientTape() as tape:
    # 插入通道维度
    x = tf.expand_dims(x, axis=3)
    # 向前计算,设置计算模式,[b,784] => [b,10]
    out = network(x, training=True)


在测试阶段,需要设置training=False,避免BN层采用错误的行为,代码如下:

for x, y in test_db:  # 遍历所有训练集样本
    # 插入通道维度,=>[b,28,28,1]
    x = tf.expand_dims(x, axis=3)
    # 向前计算,获得10类别的概率分布,[b,784] => [b,10]
    out = network(x, training=False)

4. 完整代码

加入BN层的LeNet-5完整代码如下:

import os

from Chapter08 import metrics
from Chapter08.metrics import loss_meter

os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'


import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers, Sequential, losses, optimizers, datasets

# 加载MNIST数据集
def preprocess(x, y):
    # 预处理函数
    x = tf.cast(x, dtype=tf.float32) / 255
    y = tf.cast(y, dtype=tf.int32)

    return x, y


# 加载MNIST数据集
(x, y), (x_test, y_test) = keras.datasets.mnist.load_data()
# 创建数据集
batchsz = 128
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x, y))
train_db = train_db.map(preprocess).shuffle(60000).batch(batchsz).repeat(10)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test))
test_db = test_db.batch(batchsz)

network = Sequential([  # 网络容器
    layers.Conv2D(6, kernel_size=3, strides=1),  # 第一个卷积层,6个3×3卷积核
    # 插入BN层
    layers.BatchNormalization(),
    layers.MaxPooling2D(pool_size=2, strides=2),  # 高宽各减半的池化层
    layers.ReLU(),  # 激活函数
    layers.Conv2D(16, kernel_size=2, strides=1),  # 第二个卷积层,16个3×3卷积核
    # 插入BN层
    layers.BatchNormalization(),
    layers.MaxPooling2D(pool_size=2, strides=2),  # 高宽各减半的池化层
    layers.ReLU(),  # 激活函数
    layers.Flatten(),  # 打平层,方便全连接层处理
    layers.Dense(120, activation='relu'),  # 全连接层,120个节点
    # 此处也可以插入BN层
    layers.Dense(84, activation='relu'),  # 全连接层,84个节点
    # 此处也可以插入BN层
    layers.Dense(10),  # 全连接层,10个节点
])

# build一次网格模型,给输入x的形状,其中4为随意给的batchsize
network.build(input_shape=(4, 28, 28, 1))
# 统计网络信息
network.summary()

# 创建损失函数的类,在实际计算时直接调用实例即可
criteon = losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True)

optimizer = optimizers.Adam(lr=0.01)

# 训练部分实现如下
# 构建梯度记录环境
# 训练20个epoch


def train_epoch(epoch):
    for step, (x, y) in enumerate(train_db):  # 循环优化
        with tf.GradientTape() as tape:
            # 插入通道维度,=>[b,28,28,1]
            x = tf.expand_dims(x, axis=3)
            # 向前计算,获得10类别的概率分布,[b,784] => [b,10]
            out = network(x, training=True)
            # 真实标签one-hot编码,[b] => [b,10]
            y_onehot = tf.one_hot(y, depth=10)
            # 计算交叉熵损失函数,标量
            loss = criteon(y_onehot, out)
        # 自动计算梯度
        grads = tape.gradient(loss, network.trainable_variables)
        # 自动更新参数
        optimizer.apply_gradients(zip(grads, network.trainable_variables))
        if step % 100 == 0:
            print(step, 'loss:', loss_meter.result().numpy())
            loss_meter.reset_states()

        # 计算准确度
        if step % 100 == 0:
            # 记录预测正确的数量,总样本数量
            correct, total = 0, 0
            for x, y in test_db:  # 遍历所有训练集样本
                # 插入通道维度,=>[b,28,28,1]
                x = tf.expand_dims(x, axis=3)
                # 向前计算,获得10类别的概率分布,[b,784] => [b,10]
                out = network(x, training=False)
                # 真实的流程时先经过softmax,再argmax
                # 但是由于softmax不改变元素的大小相对关系,故省去
                pred = tf.argmax(out,axis=-1)
                y = tf.cast(y, tf.int64)
                # 统计预测样本总数
                correct += float(tf.reduce_sum(tf.cast(tf.equal(pred, y), tf.float32)))
                # 统计预测样本总数
                total += x.shape[0]
            # 计算准确率
            print('test acc:', correct/total)

def train():

    for epoch in range(30):

        train_epoch(epoch)

if __name__ == '__main__':
    train()

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