【深度学习】5-3 与学习相关的技巧 - Batch Normalization

如果为了使各层拥有适当的广度，“强制性”地调整激活值的分布会怎样呢？实际上，Batch Normalization 方法就是基于这个想法而产生的

为什么Batch Norm这么惹人注目呢?因为Batch Norm有以下优点：

• 可以使学习快速进行(可以增大学习率)。
• 不那么依赖初始值(对于初始值不用那么神经质) 。
• 抑制过拟合(降低Dropout等的必要性)。

Batch Norm的思路是调整各层的激活值分布使其拥有适当的广度。为此，要向神经网络中插入对数据分布进行正规化的层，即Batch Normalization层(下文简称Batch Norm层)

Batch Norm，顾名思义，以进行学习时的mini-batch为单位，按mini-batch进行正规化。具体而言，就是进行使数据分布的均值为0、方差为1的正规化。用数学式表示的话，如下：

这里对mini-batch的m个输人数据的集合B求均值和方差。然后，对输人数据进行均值为0、方差为1(合适的分布)的正规化。
这个式子所做的是将mini-batch的输人数据变换为均值为0，方差为1的数据。通过将这个处理插入到激活函数的前面（或者后面），可以减少数据分布的偏向。
接着，Batch Norm层会对正规化后的数据进行缩放和平移的变换用数学式可以如下表示。

这里，γ和β是参数。一开始γ=1，β=0，然后再通过学习调整到合适的值。
上面就是Batch Norm的算法。这个算法是神经网络上的正向传播。

用计算图表示如下：

Batch Norm的反向传播
Batch Norm实现类

class BatchNormalization:
    """
    http://arxiv.org/abs/1502.03167
    """
    def __init__(self, gamma, beta, momentum=0.9, running_mean=None, running_var=None):
        self.gamma = gamma
        self.beta = beta
        self.momentum = momentum
        self.input_shape = None # Conv层的情况下为4维，全连接层的情况下为2维  

        # 测试时使用的平均值和方差
        self.running_mean = running_mean
        self.running_var = running_var  
        
        # backward时使用的中间数据
        self.batch_size = None
        self.xc = None
        self.std = None
        self.dgamma = None
        self.dbeta = None

    def forward(self, x, train_flg=True):
        self.input_shape = x.shape
        if x.ndim != 2:
            N, C, H, W = x.shape
            x = x.reshape(N, -1)

        out = self.__forward(x, train_flg)
        
        return out.reshape(*self.input_shape)
            
    def __forward(self, x, train_flg):
        if self.running_mean is None:
            N, D = x.shape
            self.running_mean = np.zeros(D)
            self.running_var = np.zeros(D)
                        
        if train_flg:
            mu = x.mean(axis=0)
            xc = x - mu
            var = np.mean(xc**2, axis=0)
            std = np.sqrt(var + 10e-7)
            xn = xc / std
            
            self.batch_size = x.shape[0]
            self.xc = xc
            self.xn = xn
            self.std = std
            self.running_mean = self.momentum * self.running_mean + (1-self.momentum) * mu
            self.running_var = self.momentum * self.running_var + (1-self.momentum) * var            
        else:
        	# 算法实现
            xc = x - self.running_mean
            xn = xc / ((np.sqrt(self.running_var + 10e-7)))
            
        out = self.gamma * xn + self.beta 
        return out

    def backward(self, dout):
        if dout.ndim != 2:
            N, C, H, W = dout.shape
            dout = dout.reshape(N, -1)

        dx = self.__backward(dout)

        dx = dx.reshape(*self.input_shape)
        return dx

	# 反向传播
    def __backward(self, dout):
        dbeta = dout.sum(axis=0)
        dgamma = np.sum(self.xn * dout, axis=0)
        dxn = self.gamma * dout
        dxc = dxn / self.std
        dstd = -np.sum((dxn * self.xc) / (self.std * self.std), axis=0)
        dvar = 0.5 * dstd / self.std
        dxc += (2.0 / self.batch_size) * self.xc * dvar
        dmu = np.sum(dxc, axis=0)
        dx = dxc - dmu / self.batch_size
        
        self.dgamma = dgamma
        self.dbeta = dbeta
        
        return dx

Batch Normalization的评估

现在我们使用Batch Norm层进行实验。首先，使用MNIST数据集，观察使用Batch Norm层和不使用Batch Norm层时学习的过程会如何变化，
代码如下：

# coding: utf-8
import sys, os
sys.path.append(os.pardir)  # 为了导入父目录的文件而进行的设定
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from dataset.mnist import load_mnist
from common.multi_layer_net_extend import MultiLayerNetExtend
from common.optimizer import SGD, Adam

(x_train, t_train), (x_test, t_test) = load_mnist(normalize=True)

# 减少学习数据
x_train = x_train[:1000]
t_train = t_train[:1000]

max_epochs = 20
train_size = x_train.shape[0]
batch_size = 100
learning_rate = 0.01


def __train(weight_init_std):
    bn_network = MultiLayerNetExtend(input_size=784, hidden_size_list=[100, 100, 100, 100, 100], output_size=10, 
                                    weight_init_std=weight_init_std, use_batchnorm=True)
    network = MultiLayerNetExtend(input_size=784, hidden_size_list=[100, 100, 100, 100, 100], output_size=10,
                                weight_init_std=weight_init_std)
    optimizer = SGD(lr=learning_rate)
    
    train_acc_list = []
    bn_train_acc_list = []
    
    iter_per_epoch = max(train_size / batch_size, 1)
    epoch_cnt = 0
    
    for i in range(1000000000):
        batch_mask = np.random.choice(train_size, batch_size)
        x_batch = x_train[batch_mask]
        t_batch = t_train[batch_mask]
    
        for _network in (bn_network, network):
            grads = _network.gradient(x_batch, t_batch)
            optimizer.update(_network.params, grads)
    
        if i % iter_per_epoch == 0:
            train_acc = network.accuracy(x_train, t_train)
            bn_train_acc = bn_network.accuracy(x_train, t_train)
            train_acc_list.append(train_acc)
            bn_train_acc_list.append(bn_train_acc)
    
            print("epoch:" + str(epoch_cnt) + " | " + str(train_acc) + " - " + str(bn_train_acc))
    
            epoch_cnt += 1
            if epoch_cnt >= max_epochs:
                break
                
    return train_acc_list, bn_train_acc_list


# 3.绘制图形==========
weight_scale_list = np.logspace(0, -4, num=16)
x = np.arange(max_epochs)

for i, w in enumerate(weight_scale_list):
    print( "============== " + str(i+1) + "/16" + " ==============")
    train_acc_list, bn_train_acc_list = __train(w)
    
    plt.subplot(4,4,i+1)
    plt.title("W:" + str(w))
    if i == 15:
        plt.plot(x, bn_train_acc_list, label='Batch Normalization', markevery=2)
        plt.plot(x, train_acc_list, linestyle = "--", label='Normal(without BatchNorm)', markevery=2)
    else:
        plt.plot(x, bn_train_acc_list, markevery=2)
        plt.plot(x, train_acc_list, linestyle="--", markevery=2)

    plt.ylim(0, 1.0)
    if i % 4:
        plt.yticks([])
    else:
        plt.ylabel("accuracy")
    if i < 12:
        plt.xticks([])
    else:
        plt.xlabel("epochs")
    plt.legend(loc='lower right')
    
plt.show()

运行结果如下：

从运行结果可以看到使用Batch Norm后，学习进行得更快了。
综上，通过使用Batch Norm，可以推动学习的进行。并且，对权重初始值变得健壮(表示不那么依初始值) Batch Norm具备如此优良的性质，一定能应用在更多场合中。