PyTorch踩坑指南(1)nn.BatchNorm2d()函数

PyTorch踩坑指南(1)nn.BatchNorm2d()函数前言最近在研究深度学习中图像数据处理的细节,基于的平台是PyTorch。心血来潮,总结一下,好记性不如烂笔头。BatchNormalization对于2015年出现的BatchNormalization1,2018年的文章GroupNormalization2在Abstract中总结得言简意赅,我直接copy过来。BatchNormalization(BN)isamile…

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

前言

最近在研究深度学习中图像数据处理的细节,基于的平台是PyTorch。心血来潮,总结一下,好记性不如烂笔头。

Batch Normalization

对于2015年出现的Batch Normalization1,2018年的文章Group Normalization2在Abstract中总结得言简意赅,我直接copy过来。

Batch Normalization (BN) is a milestone technique in the development of deep learning, enabling various networks to train. However, normalizing along the batch dimension introduces problems — BN’s error increases rapidly when the batch size becomes smaller, caused by inaccurate batch statistics estimation. This limits BN’s usage for training larger models and transferring features to computer vision tasks including detection, segmentation, and video, which require small batches constrained by memory consumption.

机器学习中,进行模型训练之前,需对数据做归一化处理,使其分布一致。在深度神经网络训练过程中,通常一次训练是一个batch,而非全体数据。每个batch具有不同的分布产生了internal covarivate shift问题——在训练过程中,数据分布会发生变化,对下一层网络的学习带来困难。Batch Normalization强行将数据拉回到均值为0,方差为1的正太分布上,一方面使得数据分布一致,另一方面避免梯度消失。

结合图1,说明Batch Normalization的原理。假设在网络中间经过某些卷积操作之后的输出的feature maps的尺寸为N×C×W×H,5为batch size(N),3为channel(C),W×H为feature map的宽高,则Batch Normalization的计算过程如下。
在这里插入图片描述


图 1

  • 1.每个batch计算同一通道的均值 μ \mu μ,如图取channel 0,即 c = 0 c=0 c=0(红色表示)
    μ = ∑ n = 0 N − 1 ∑ w = 0 W − 1 ∑ h = 0 H − 1 X [ n , c , w , h ] N × W × H \mu = \frac{\sum\limits_{n=0}^{N-1}\sum\limits_{w=0}^{W-1} \sum\limits_{h=0}^{H-1} X[n, c, w, h]}{N×W×H} μ=N×W×Hn=0N1w=0W1h=0H1X[n,c,w,h]
  • 2.每个batch计算同一通道的方差 σ 2 σ^2 σ2
    σ 2 = ∑ n = 0 N − 1 ∑ w = 0 W − 1 ∑ h = 0 H − 1 ( X [ n , c , w , h ] − μ ) 2 N × W × H σ^2 = \frac{\sum\limits_{n=0}^{N-1}\sum\limits_{w=0}^{W-1} \sum\limits_{h=0}^{H-1} (X[n, c, w, h]-\mu)^2}{N×W×H} σ2=N×W×Hn=0N1w=0W1h=0H1(X[n,c,w,h]μ)2
  • 3.对当前channel下feature map中每个点 x x x,索引形式 X [ n , c , w , h ] X[n, c, w, h] X[n,c,w,h],做归一化
    x ′ = ( x − μ ) σ 2 + ϵ x^{‘}=\frac{(x-\mu)}{\sqrt{σ^2+\epsilon}} x=σ2+ϵ
    (xμ)
  • 4.增加缩放和平移变量 γ \gamma γ β \beta β(可学习的仿射变换参数),归一化后的值
    y = γ x ′ + β y=\gamma x^{‘}+\beta y=γx+β
    简化公式:
    y = x − μ σ 2 + ϵ γ + β y=\frac{x-\mu}{\sqrt{\sigma^2+\epsilon}}\gamma +\beta y=σ2+ϵ
    xμ
    γ+
    β

    原文中的算法描述如下,
    在这里插入图片描述
    注:上图1所示 m m m就是 N ∗ W ∗ H N*W*H NWH

PyTorch的nn.BatchNorm2d()函数

理解了Batch Normalization的过程,PyTorch里面的函数就参考其文档3用就好。
BatchNorm2d()内部的参数如下:

  • num_features:一般情况下输入的数据格式为batch_size * num_features * height * width,即为特征数,channel数
  • eps:分母中添加的一个值,目的是为了计算的稳定性,默认:1e-5
  • momentum:一个用于运行过程中均值和方差的一个估计参数,默认值为 0.1 0.1 0.1 x ^ n e w = ( 1 − m o m e n t u m ) × x ^ + m o m e n t u m × x t \hat{x}_{new} =(1−momentum) × \hat{x} +momentum×x_t x^new=(1momentum)×x^+momentum×xt,其中 x ^ \hat{x} x^是估计值, x t x_t xt是新的观测值
  • affine:当设为true时,给定可以学习的系数矩阵 γ \gamma γ β \beta β

Show me the codes

import torch
import torch.nn as nn

def checkBN(debug = False):
    # parameters
    N = 5 # batch size
    C = 3 # channel
    W = 2 # width of feature map
    H = 2 # height of feature map
    # batch normalization layer
    BN = nn.BatchNorm2d(C,affine=True) #gamma和beta, 其维度与channel数相同
    # input and output
    featuremaps = torch.randn(N,C,W,H)
    output = BN(featuremaps)
    # checkout
    ###########################################
    if debug:
        print("input feature maps:\n",featuremaps)
        print("normalized feature maps: \n",output)
    ###########################################
    
    # manually operation, the first channel
    X = featuremaps[:,0,:,:]
    firstDimenMean = torch.Tensor.mean(X)
    firstDimenVar = torch.Tensor.var(X,False) #Bessel's Correction贝塞尔校正不被使用
    
    BN_one = ((input[0,0,0,0] - firstDimenMean)/(torch.pow(firstDimenVar+BN.eps,0.5) )) * BN.weight[0] + BN.bias[0]
    print('+++'*15,'\n','manually operation: ', BN_one)
    print('==='*15,'\n','pytorch result: ', output[0,0,0,0])
    
if __name__=="__main__":
    checkBN()

可以看出手算的结果和PyTorch的nn.BatchNorm2d的计算结果一致。

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
 manually operation:  tensor(-0.0327, grad_fn=<AddBackward0>)
=============================================
 pytorch result:  tensor(-0.0327, grad_fn=<SelectBackward>)

贝塞尔校正

代码中出现,求方差时是否需要贝塞尔校正,即从样本方差到总体方差的校正。
方差公式从,
σ 2 = ∑ i = 0 N − 1 ( x i − m e a n ( x ) ) 2 N \sigma^2 = \frac{\sum\limits_{i=0}^{N-1} (x_i-mean(x))^2}{N} σ2=Ni=0N1(ximean(x))2
变成(基于样本的总体方差的无偏估计),
σ 2 = ∑ i = 0 N − 1 ( x i − m e a n ( x ) ) 2 N − 1 \sigma^2 = \frac{\sum\limits_{i=0}^{N-1} (x_i-mean(x))^2}{N-1} σ2=N1i=0N1(ximean(x))2

Reference


  1. Ioffe, Sergey, and Christian Szegedy. “Batch normalization: Accelerating deep network training by reducing internal covariate shift.” arXiv preprint arXiv:1502.03167 (2015). ↩︎ ↩︎

  2. Wu, Yuxin, and Kaiming He. “Group normalization.” Proceedings of the European Conference on Computer Vision (ECCV). 2018. ↩︎

  3. BatchNorm2d ↩︎

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌侵权/违法违规的内容, 请联系我们举报,一经查实,本站将立刻删除。

发布者:全栈程序员-站长,转载请注明出处:https://javaforall.net/134016.html原文链接:https://javaforall.net

(0)
全栈程序员-站长的头像全栈程序员-站长


相关推荐

  • php new reflectionclass,PHP: ReflectionClass – Manual

    php new reflectionclass,PHP: ReflectionClass – ManualReflectionClass::__construct—СоздаётобъектклассаReflectionClassReflectionClass::getConstant—ВозвращаетопределённуюконстантуReflectionClass::getConstructor—ВозвращаетконструкторклассаRefle…

    2025年8月12日
    5
  • java多线程—Thread、Runnable和Callable区别

    多线程编程优点进程之间不能共享内存,但线程之间共享内存非常容易。系统创建线程所分配的资源相对创建进程而言,代价非常小。Java中实现多线程有3种方法:继承Thread类实现Runnable接口实现Callable接口(参考&lt;Java编程思想(第4版)&gt; 21.2.4章节,原来一直以为是2种,后来发现是3种)回到顶部第一种实现方法—继承Thread类继承Thread类,需要覆盖方法r…

    2022年4月7日
    55
  • 关于Raid0,Raid1,Raid5,Raid10的总结

    关于Raid0,Raid1,Raid5,Raid10的总结RAID0定义:RAID0又称为Stripe或Striping,它代表了所有RAID级别中最高的存储性能。RAID0提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取,这样,系统有数据请求就

    2022年7月1日
    23
  • clion2021.03激活码破解方法「建议收藏」

    clion2021.03激活码破解方法,https://javaforall.net/100143.html。详细ieda激活码不妨到全栈程序员必看教程网一起来了解一下吧!

    2022年3月14日
    1.2K
  • laravel 循环中子元素使用&符号嵌入到父级,经典版

    laravel 循环中子元素使用&符号嵌入到父级,经典版

    2021年11月9日
    57
  • matlab运算放大器概述,运算放大器概述「建议收藏」

    matlab运算放大器概述,运算放大器概述「建议收藏」运算器的历史第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成,这个放大器可以执行加与减的工作。运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字,用来进行加、减、乘、除的运算,同时也成为实现模拟计算机(analogcomputer)的基本建构方块。然而,理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器,无论是使用晶体管(transistor)或真空管(vacuum…

    2022年5月5日
    88

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

关注全栈程序员社区公众号