Batch Normalization应该放在ReLU非线性激活层的前面还是后面？-轻识

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编辑：CVDaily 转载自：计算机视觉Daily

https://www.zhihu.com/question/283715823

本文仅作为学术分享，如果侵权，会删文处理

BN 放在ReLU的前面还是后面？这个问题是AI面试的高频题

Batch-normalized 应该放在非线性激活层的前面还是后面？

我看网上的中文资料基本都是说，将BN 层放在非线性激活层的前面，但是

在 Deep Learning for Computer Vision with Python 中，有以下讨论，

作者：论智
https://www.zhihu.com/question/283715823/answer/438882036

在BN的原始论文中，BN是放在非线性激活层前面的（arXiv:1502.03167v3，第5页）

We add the BN transform immediately before the nonlinearity

（注意：before的黑体是我加的，为了突出重点）

但是，François Chollet爆料说BN论文的作者之一Christian把BN放在ReLU后面（你的问题里引用的文字也提到了这一段）。

I can guarantee that recent code written by Christian applies relu before BN.

另外，Jeremy Howard直接主张把BN放在非线性激活后面

You want the batchnorm after the non-linearity, and before the dropout.

“应该”放在前面还是后面？这个“应该”其实有两种解释：

放在前面还是后面比较好？
为什么要放在前面还是后面？

对于第一问，目前在实践上，倾向于把BN放在ReLU后面。也有评测表明BN放ReLU后面效果更好。

对于第二问，实际上，我们目前对BN的机制仍然不是特别清楚，这里只能尝试做些（玄学）解释，不一定正确。

BN，也就是Batch-Normalization，这名字就能让我们想到普通的normalization（归一化），也就是将输入传给神经网络之前对输入做的normalization。这个normalization是对输入操作的，是在输入层之前进行的。那么，从这个角度上来说，Batch-Normalization可以视作对传给隐藏层的输入的normalization。想象一下，如果我们把网络中的某一个隐藏层前面的网络层全部砍掉，那么这个隐藏层就变成了输入层，传给它的输入需要normalization，就在这一层之间，这个位置，就是原本的BN层的位置。从这方面来说，BN层放非线性激活之后，是很自然的。

然后，我们再来考虑一些具体的激活函数。我们看到，无论是tanh

还是sigmoid

函数图像的两端，相对于x的变化，y的变化都很小（这其实很正常，毕竟tanh就是拉伸过的sigmoid）。也就是说，容易出现梯度衰减的问题。那么，如果在tanh或sigmoid之前，进行一些normalization处理，就可以缓解梯度衰减的问题。我想这可能也是最初的BN论文选择把BN层放在非线性激活之前的原因。

但是ReLU的画风和它们完全不一样啊。

实际上，最初的BN论文虽然也在使用ReLU的Inception上进行了试验，但首先研究的是sigmoid激活。因此，试验ReLU的，我猜想作者可能就顺便延续了之前把BN放前面的配置，而没有单独针对ReLU进行处理。

总结一下，BN层的作用机制也许是通过平滑隐藏层输入的分布，帮助随机梯度下降的进行，缓解随机梯度下降权重更新对后续层的负面影响。因此，实际上，无论是放非线性激活之前，还是之后，也许都能发挥这个作用。只不过，取决于具体激活函数的不同，效果也许有一点差别（比如，对sigmoid和tanh而言，放非线性激活之前，也许顺便还能缓解sigmoid/tanh的梯度衰减问题，而对ReLU而言，这个平滑作用经ReLU“扭曲”之后也许有所衰弱）。

作者：王超锋
https://www.zhihu.com/question/283715823/answer/444230597

个人理解上和@论智差不多一致

实验上，放后面更有效。为什么放后面有效，谈一下我自己的理解。例如，这里两层卷积：

1、before， conv1-bn1-ReLU1-conv2-bn2-ReLU2

2、after，conv1-ReLU1-bn1-conv2-ReLU2-bn2

BN与常用的数据归一化最大的区别就是有α和β两个参数，这两个参数主要作用是在加速收敛和表征破坏之间做的trade off。在初期数据归一化比较明显，所以网络可以迅速收敛。至于为什么数据归一化可以加速收敛，这篇博客解释的不错，可以参考下，Batch Normalization详解。随着训练来到中后期这两个参数学习到差不多的时候，主要是用来恢复上一层输入分布。

所以这么去理解，上面的两个结构的斜线加粗部分。1和2中都相当于作conv2的输入做了归一化，从conv2的看来，其输入都是ReLU1之后的数据，但区别在于1中ReLU1截断了部分bn1归一化以后的数据，所以很有可能归一化的数据已经不再完全满足0均值和单位方差，而2中ReLU1之后的数据做了归一化，归一化后仍满足0均值和单位方差。所以放后边更有效也是可以理解的。

以上纯属个人理解，其实可以做这么个实验，在1结构的中在加一个BN，conv1-bn1-ReLU1-bn-conv2-bn2-ReLU2，把截断后的数据在做个归一化，这样和原始的1比较下看看是否更有效。如果有的话，说明conv2更喜欢0均值和单位方差的分布~，不过我也没试过。不知道会不会被打脸(￣ε(#￣)☆╰╮(￣▽￣///)

作者：王艺程
https://www.zhihu.com/question/283715823/answer/443733242

在我所见过的所有包含BN的网络结构中，BN都是在ReLU之前的。下面给出一种解释

为了方便大家理解，先介绍一下我们在CVPR2018发表的论文《Person Re-identification with Cascaded Pairwise Convolutions》中提出的一种简单的层：Channel Scaling (CS, 通道放缩层)。CS层将每一输入通道乘以一恒正因子后作为输出。在CS层存在于卷积层后，ReLU层前时，我们认为CS层可以在网络训练过程中引导卷积权值取正，进而缓解零梯度问题。具体的解释除了看论文，还可以看下图。

BN也可以解决零梯度问题，有两条途径，下面直观地定性讲讲：

当对于绝大部分输入特征图，filter绝大部分响应值为负时，会产生零梯度问题，在卷积层后加入BN层后，BN层中该filter对应通道的均值为负，BN中的减均值处理会使得相当一部分响应值变为正，进而解决了零梯度问题。（这段讨论忽略了BN中的bias项和scaling项）
BN中的scaling项初始化为1，在训练过程中一般取值为正，因此可通过类似CS的途径来缓解零梯度问题；其实，如果scaling项一直取值为负，也可通过类似CS的途径来缓解零梯度问题。（这段讨论中忽略了BN中的normalization计算）

前述两条途径均存在缺陷，使得带BN的网络的训练不稳定（至少在我们的实验中是这样）：

BN中的均值和方差不是通过随机梯度下降法训练的，而是逐Batch统计并滑动平均，受不同Batch中样本情况差异的影响大，在训练过程中可能出现较大波动或改变，进而影响网络功能。
训练过程中，BN层中scaling项的取值有可能由正变负或者由负变正，这种情况翻转了对应通道的含义，可能对网络功能造成损害；此外，如果scaling项时而取正时而取负，无法实现类似CS的功能。

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【补充】上面提到的我们的那篇论文存在靠不合理评测方式提升分数的问题，并且第三个贡献——Sample Rate Leaning策略的优势在调整网络结构后难以体现。至少根据现有实验，我觉得CS的效果比较明显，并且有很合理的理论解释。

作者：star all
https://www.zhihu.com/question/283715823/answer/700870267

和一位答友类似，我见过的很多网络也是都把bn放到激活前面。我做一下解释：

现在我们假设所有的激活都是relu，也就是使得负半区的卷积值被抑制，正半区的卷积值被保留。而bn的作用是使得输入值的均值为０，方差为１，也就是说假如relu之前是bn的话，会有接近一半的输入值被抑制，一半的输入值被保留。

所以bn放到relu之前的好处可以这样理解：bn可以防止某一层的激活值全部都被抑制，从而防止从这一层往前传的梯度全都变成０，也就是防止梯度消失。（当然也可以防止梯度爆炸）

还有一个好处，把bn放到激活前面是有可以把卷积的weight和bn的参数进行合并的，所以它有利于网络在做前向inference时候进行加速。

作者：郭嘉
https://www.zhihu.com/question/283715823/answer/553603362

前面答案说了一大堆bn放在relu后面的好处和理论依据。

而我用resnet18训练手部检测，只改变bn和relu的顺序，和有些答主一样，bn放在relu前面效果稍微好一点。

深度学习的理论真的有那么肯定的话，就不需要做那么多实验来调整网络了，根据自己的使用场景，自己实验才是正确的答案。

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