计算机视觉 | 面试题：03、BN层的深入理解

问题

BN在深度网络训练过程中是非常好用的trick，在笔试中也很常考，而之前只是大概知道它的作用，很多细节并不清楚，因此希望用这篇文章彻底解决揭开BN的面纱。

BN层的由来与概念

讲解BN之前，我们需要了解BN是怎么被提出的。在机器学习领域，数据分布是很重要的概念。如果训练集和测试集的分布很不相同，那么在训练集上训练好的模型，在测试集上应该不奏效（比如用ImageNet训练的分类网络去在灰度医学图像上finetune再测试，效果应该不好）。对于神经网络来说，如果每一层的数据分布都不一样，后一层的网络则需要去学习适应前一层的数据分布，这相当于去做了domain的adaptation，无疑增加了训练难度，尤其是网络越来越深的情况。

实际上，确实如此，不同层的输出的分布是有差异的。BN的那篇论文中指出，不同层的数据分布会往激活函数的上限或者下限偏移。论文称这种偏移为internal Covariate Shift，internal指的是网络内部。神经网络一旦训练起来，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, 第一层输出变化了，势必会引起第二层输入分布的改变，模型拟合的效果就会变差，也会影响模型收敛的速度（