【深度学习】聊聊Batch Normalization在网络结构中的位置
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2021-05-24 16:35
“葡萄是一点一点成熟的,知识是一天一天积累的。”
Batch Normalization
1. 什么是Batch Normalization？
谷歌在2015年就提出了Batch Normalization(BN)，该方法对每个mini-batch都进行normalize，下图是BN的计算方式，会把mini-batch中的数据正规化到均值为0，标准差为1，同时还引入了两个可以学的参数，分别为scale和shift，让模型学习其适合的分布。
那么为什么在做过正规化后，又要scale和shift呢？当通过正规化后，把尺度缩放到0均值，再scale和shift，不是有可能把数据变回"原样"？因为scale和shift是模型自动学习的，神经网络可以自己琢磨前面的正规化有没有起到优化作用，没有的话就"反"正规化，抵消之前的正规化操作带来的影响。
2. 为什么要用Batch Normalization？
(1) 解决梯度消失问题
拿sigmoid激活函数距离，从图中，我们很容易知道，数据值越靠近0梯度越大，越远离0梯度越接近0，我们通过BN改变数据分布到0附近，从而解决梯度消失问题。
(2) 解决了Internal Covariate Shift(ICS)问题
先看看paper里对ICS的定义:
由于训练过程中参数的变化，导致各层数据分布变化较大，神经网络就要学习新的分布，随着层数的加深，学习过程就变的愈加困难，要解决这个问题需要使用较低的学习率，由此又产生收敛速度慢，因此引入BN可以很有效的解决这个问题。
（3）加速了模型的收敛
和对原始特征做归一化类似，BN使得每一维数据对结果的影响是相同的，由此就能加速模型的收敛速度。
（4）具有正则化效果
BN层和正规化/归一化不同，BN层是在mini-batch中计算均值方差，因此会带来一些较小的噪声，在神经网络中添加随机噪声可以带来正则化的效果。
3. Batch Normalization添加在哪？
所以实际使用上，BatchNorm层应该放在哪呢？层与层直接都要加吗？加在激活函数前还是激活函数后？卷积层和pooling层要不要加？有人说这个应该加在非线性层后，如下顺序。
Linear->Relu->BatchNorm->Dropout
论文里有提到，BN层常常被加到Relu之前，但是没有明确的标准，需要尝试不同配置，通过实验得出结论(很多实验结果偏向于Relu在BN之前)。
那BN层和dropout层的顺序呢？
我们可以看到这样的代码，BN在dropout之后。
也可以看到这样的代码，BN在dropout之前。
实际上，BN消除了对dropout的依赖，因为BN也有和dropout本质一样的正则化的效果，像是ResNet, DenseNet等等并没有使用dropout，如果要用并用BN和dropout，还是建议BN放在dropout之前。
注：对BN和dropout感兴趣的可以看下这篇论文《Understanding the Disharmony between Dropout and Batch Normalization by
Variance Shif》
https://arxiv.org/pdf/1801.05134.pdf
敲黑板，记重点！
1、BN层可以缓解梯度消失，解决ICS问题，加速模型的收敛，并且具有正则化效果。
2、 BN层往往添加在Relu层后，Dropout层之前。
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