自然语言处理(NLP)-模型常用技巧:Normalization【Batch Norm、Layer Norm】

一、为什么对数据归一化

我们知道在神经网络训练开始前,需要对输入数据做归一化处理,那么具体为什么需要归一化呢?

  • 一方面,神经网络学习过程本质就是为了学习数据特征以及数据的分布特征,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。

同时也是在训练前为什么要把训练数据充分打乱的原因,充分打乱使得每个batch的样本包含各类别的数据,这样通过每个batch的样本训练时各个batch所包含的数据分布更接近,同时和整个训练集的数据分布更接近,更有利于训练出更泛化的模型,同时有利于模型的收敛。

试想不充分打乱数据,若每个batch只包含一个类别的数据,不同的batch数据进行训练时网络就要在每次迭代都去学习适应不同的分布,会使得网络收敛很慢。

二、数据进行归一化标准化常用的方法

归一化层,目前主要有这几个方法,Batch Normalization(2015年)、Layer Normalization(2016年)、Instance Normalization(2017年)、Group Normalization(2018年)、Switchable Normalization(2018年);

将输入的图像shape记为[N, C, H, W],这几个方法主要的区别就是在,

  • batchNorm是在batch上,对NHW做归一化,对小batchsize效果不好;
  • layerNorm在通道方向上,对CHW归一化,主要对RNN作用明显;
  • instanceNorm在图像像素上,对HW做归一化,用在风格化迁移;
  • GroupNorm将channel分组,然后再做归一化;
  • SwitchableNorm是将BN、LN、IN结合,赋予权重,让网络自己去学习归一化层应该使用什么方法。

自然语言处理(NLP)-模型常用技巧:Normalization【Batch Norm、Layer Norm】_第1张图片

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论文总结:

  1. Batch Normalization
    https://arxiv.org/pdf/1502.03167.pdf

  2. Layer Normalizaiton
    https://arxiv.org/pdf/1607.06450v1.pdf

  3. Instance Normalization
    https://arxiv.org/pdf/1607.08022.pdf
    https://github.com/DmitryUlyanov/texture_nets

  4. Group Normalization
    https://arxiv.org/pdf/1803.08494.pdf

  5. Switchable Normalization
    https://arxiv.org/pdf/1806.10779.pdf
    https://github.com/switchablenorms/Switchable-Normalization

1、Batch Normalization

首先,在进行训练之前,一般要对数据做归一化,使其分布一致,但是在深度神经网络训练过程中,通常以送入网络的每一个batch训练,这样每个batch具有不同的分布;此外,为了解决internal covarivate shift问题,这个问题定义是随着batch normalizaiton这篇论文提出的,在训练过程中,数据分布会发生变化,对下一层网络的学习带来困难。

所以batch normalization就是强行将数据拉回到均值为0,方差为1的正太分布上,这样不仅数据分布一致,而且避免发生梯度消失。

此外,internal corvariate shift和covariate shift是两回事,前者是网络内部,后者是针对输入数据,比如我们在训练数据前做归一化等预处理操作。

自然语言处理(NLP)-模型常用技巧:Normalization【Batch Norm、Layer Norm】_第3张图片)
算法过程:

  • 沿着通道计算每个batch的均值u
  • 沿着通道计算每个batch的方差 σ 2 σ^2 σ2
  • x x x 做归一化, x ′ = ( x − u ) ( σ 2 + ε ) x'=\cfrac{(x-u)}{\sqrt{(σ^2+ε)}} x=(σ2+ε) (xu)
  • 加入缩放和平移变量 γ γ γ β β β ,归一化后的值, y = γ x ′ + β y=γx'+β y=γx+β

加入缩放平移变量的原因是:保证每一次数据经过归一化后还保留原有学习来的特征,同时又能完成归一化操作,加速训练。 这两个参数是用来学习的参数。

import numpy as np

def Batchnorm(x, gamma, beta, bn_param):

    # x_shape:[B, C, H, W]
    running_mean = bn_param['running_mean']
    running_var = bn_param['running_var']
    results = 0.
    eps = 1e-5

    x_mean = np.mean(x, axis=(0, 2, 3), keepdims=True)
    x_var = np.var(x, axis=(0, 2, 3), keepdims=True0)
    x_normalized = (x - x_mean) / np.sqrt(x_var + eps)
    results = gamma * x_normalized + beta

    # 因为在测试时是单个图片测试,这里保留训练时的均值和方差,用在后面测试时用
    running_mean = momentum * running_mean + (1 - momentum) * x_mean
    running_var = momentum * running_var + (1 - momentum) * x_var

    bn_param['running_mean'] = running_mean
    bn_param['running_var'] = running_var

    return results, bn_param

2、Layer Normalizaiton

Batch Normalization存在以下缺点:

  • 对batchsize的大小比较敏感,由于每次计算均值和方差是在一个batch上,所以如果batchsize太小,则计算的均值、方差不足以代表整个数据分布;
  • BN实际使用时需要计算并且保存某一层神经网络batch的均值和方差等统计信息,对于对一个固定深度的前向神经网络(DNN,CNN)使用BN,很方便;但对于RNN来说,sequence的长度是不一致的,换句话说RNN的深度不是固定的,不同的time-step需要保存不同的statics特征,可能存在一个特殊sequence比其他sequence长很多,这样training时,计算很麻烦。(参考https://blog.csdn.net/lqfarmer/article/details/71439314)

与Batch Normalization不同,Layer Normalizaiton是针对深度网络的某一层的所有神经元的输入按以下公式进行normalize操作。
自然语言处理(NLP)-模型常用技巧:Normalization【Batch Norm、Layer Norm】_第4张图片
BN与LN的区别在于:

  • LN中同层神经元输入拥有相同的均值和方差,不同的输入样本有不同的均值和方差;
  • BN中则针对不同神经元输入计算均值和方差,同一个batch中的输入拥有相同的均值和方差。

所以,LN不依赖于batch的大小和输入sequence的深度,因此可以用于batch_size为1和RNN中对边长的输入sequence的normalize操作。

LN用于RNN效果比较明显,但是在CNN上,不如BN。

def ln(x, b, s):
    _eps = 1e-5
    output = (x - x.mean(1)[:,None]) / tensor.sqrt((x.var(1)[:,None] + _eps))
    output = s[None, :] * output + b[None,:]
    return output

用在四维图像上,

def Layernorm(x, gamma, beta):

    # x_shape:[B, C, H, W]
    results = 0.
    eps = 1e-5

    x_mean = np.mean(x, axis=(1, 2, 3), keepdims=True)
    x_var = np.var(x, axis=(1, 2, 3), keepdims=True0)
    x_normalized = (x - x_mean) / np.sqrt(x_var + eps)
    results = gamma * x_normalized + beta
    return results

3、Batch Normalization和Layer Normalization的对比分析

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Batch Normalization和Layer Normalization的对比:

  • Batch Normalization 的处理对象是对一批样本, Layer Normalization 的处理对象是单个样本。
  • Batch Normalization 是对这批样本的同一维度特征(每个神经元)做归一化, Layer Normalization 是对这单个样本的所有维度特征做归一化。
  • LN不依赖于batch的大小和输入sequence的深度,因此可以用于batch-size为1和RNN中对边长的输入sequence的normalize操作。但在大批量的样本训练时,效果没BN好。
  • 实践证明,LN用于RNN进行Normalization时,取得了比BN更好的效果。但用于CNN时,效果并不如BN明显。



参考资料:
BatchNormalization、LayerNormalization、InstanceNorm、GroupNorm、SwitchableNorm总结
什么是批标准化 (Batch Normalization)
Batch Normalization和Layer Normalization的对比分析

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