【PyTorch】BatchNorm方法原理和使用

BatchNorm是2015年由Sergey Ioffe和Christian Szegedy在论文《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift》中提出的，目的是加快深度神经网络的训练速度，提高训练精度

1 提出背景

• 深度神经网络学习很慢，原因之一是每层输入的分布都会改变，导致参数难以较快收敛
• 应对参数难以收敛的问题，还需仔细设计模型参数初始化，并采用较小的学习率，使得训练过程更长
• 上述现象称为internal covariate shift（ICS），解决办法就是增加归一化层（BatchNorm）进行处理
• BatchNorm是面向训练小批次数据，可以使用较大学习率
• BatchNorm类似于一种正则化方法，在某些场景下可以替代Dropout

2 操作流程

• 对每层输入进行归一化：转化为服从N(0,1)的正态分布数据，公式为：x’=（x-u）/σ，其中u和σ是根据输入x计算得到的均值和标准差，归一化可以加速训练过程，但也改变数据分布特征
• 对归一化数据进行缩放和平移：采用参数β和γ进行转化，公式为y=γx’+β，在特殊情况下，β和γ与u和σ取值相同时，则BatchNorm操作不改变原始数据分布

3 算法流程

这里给出论文中算法伪代码，包括归一化参数u和σ的计算过程，输入数据x的归一化过程，输入数据的缩放和平移过程。以卷积神经网络为例，BatchNorm在网络中的位置是卷积层之后，激励函数ReLU作用之前。

4 PyTorch中使用方式

• 调用方法：在torch.nn模块中，即torch.nn.BatchNorm2d§，p是数据维度
• 使用位置：在构建隐层的函数nn.Sequential()的参数中
• 训练时使用，测试时要固定参数，即测试前使用model.eval()

最后

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