批量归一化（BN, Batch Normalization）

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作者:颀周

　　现在的神经网络通常都特别深，在输出层向输入层传播导数的过程中，梯度很容易被激活函数或是权重以指数级的规模缩小或放大，从而产生“梯度消失”或“梯度爆炸”的现象，造成训练速度下降和效果不理想。

　　如何避免或者减轻这一现象的发生呢？归一化就是方法的一种。归一化将网络中层与层之间传递的数据限制在一定范围内，从而避免了梯度消失和爆炸的发生。下面介绍一种最基本的归一化：批量归一化（BN, Batch Normalization）。另外还有层归一化（LN, Layer Normalization）和权重归一化（WN, Weight Normalization），和BN大同小异。

批量归一化

　　批量归一化层的是这样定义的，当使用批量梯度下降（或小批量）时，对前一层的输出在批量的维度上进行归一化，即

begin{align} &hat{X}_i^t=frac{X_i^{t-1}-E(X^{t-1})}{sqrt{D(X^{t-1})+varepsilon}} \ text{where};; &E(X^{t-1}) = frac{1}{n}sumlimits_{i=1}^nX_i^{t-1}notag\ &D(X^{t-1}) = frac{1}{n-1}sumlimits_{i=1}^nleft[X_i^{t-1}-E(X^{t-1})right]^2notag end{align}

　　其中$n$是输入批量，$X_i^{t-1}$是前一层输出批量中的第$i$个，$varepsilon$是为避免0除而设置的较小数。以上都是按元素进行的操作。这样做的显式优点在于，大部分的输出都被映射到了-1和1之间，而诸如sigmoid激活函数，在这个区间内的梯度是最大的，从而避免因激活函数值的饱和而产生的梯度消失。并且由于层输出的归一化约束，反向传播的累积不会特别显著，梯度爆炸也得以避免。

　　但是，如果仅仅进行以上操作，网络的拟合能力就会下降。这是因为，神经网络强大的拟合能力在于激活函数的非线性。经过以上操作，激活函数的输入通常都集中在-1和1之间，而sigmoid函数在这区间内的导数变化率是比较低的，或者说是比较线性的。为了防止这一点，BN在这基础上再加一个“反向”操作，将权重输出再乘上自学习的标准差和均值，映射到激活函数曲率（或者说二阶导数绝对值、导数变化率）相对更大的位置，在获得较大导数的同时，保留激活非线性。公式如下：

$ begin{aligned} &X_i^t= gamma^that{X}_i^t+beta^t\ end{aligned} $

　　与$(1)$式联合得到：

$ begin{aligned} &X_i^t= frac{gamma^t}{sqrt{D(X^{t-1})+varepsilon}}X_i^{t-1} + left(beta^t-frac{E(X^{t-1})gamma^t}{sqrt{D(X^{t-1})+varepsilon}}right) \ end{aligned} $

　　其中$gamma,beta$都是模型中用反向传播学习的参数。这样一来，BN层可以自己“决定”将输出映射到合适位置。

　　另外，在训练结束进行推理时，我们输入模型的通常都是单个样本，毕竟一个样本是不能求样本方差的。所以BN使用滑动平均（moving average）来保存所有输入的均值和方差，以用于对单一输入的归一化。

Keras中BN的使用

　　Keras中已经实现了BN层可以直接使用，而不用我们自己重新写这个轮子。使用方式如下：

x = keras.layers.BatchNormalization(axis=-1,#对输入的哪个轴执行BN
                                    momentum=0.99,#滑动平均和方差的动量
                                    epsilon=0.001,#防止0除的较小值
                                    center=True,#是否使用beta调整归一化后的输出均值
                                    scale=True,#是否使用gamma调整归一化后的输出方差
                                    trainable=True)(x)

　　其中要注意axis，对于全连接层的输出，BN是如我们所想的那样仅对批量维度进行归一化。但是如果输入是高维的，归一化操作则是对批量维度和axis维度对应的张量进行的。比如，BN层的输入是三通道图片，axis=-1，均值就是所有批量的所有像素对应的三维向量的平均，方差的计算也是以这个维度进行。对于下面的代码：

from keras import layers,Model,Input 

Input_img = Input(shape = [320,320,3])  
x = layers.BatchNormalization(axis=-1,
                              momentum=0.99,
                              epsilon=0.001,
                              center=True,
                              scale=True)(Input_img)  
model = Model(Input_img,x)
model.summary()

　　summary()输出可训练参数和不可训练参数各6个。可训练参数就是$gamma,beta$，不可训练参数是滑动平均所保存的均值和方差。另外，如果将BN层的traninable标记设置为False，那么$gamma,beta$就会被固定，不会被训练；而如果设置为True，则只有$gamma,beta$会被训练，另外6个不可训练参数依然是不可训练状态，因为它们是通过滑动平均而不是反向传播来修改的。

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文章来源: 博客园

原文链接: https://www.cnblogs.com/qizhou/p/13504172.html

标签： AI 人工智能

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