在哪里对标准 CNN 应用批量归一化

Posted 2023-02-23

【中文标题】在哪里对标准 CNN 应用批量归一化

【英文标题】：Where to apply batch normalization on standard CNNs

【发布时间】：2018-04-19 00:06:05

【问题描述】：

我有以下架构：

Conv1
Relu1
Pooling1
Conv2
Relu2
Pooling3
FullyConnect1
FullyConnect2

我的问题是，我在哪里应用批量标准化？在 TensorFlow 中执行此操作的最佳功能是什么？

【参考方案1】：

原来的batch-norm paper 规定在激活 ReLU 之前使用批处理规范。但有证据表明，在激活之后 使用 batchnorm 可能会更好。这是 Francois Chollet 对 Keras GitHub 的评论：

...我可以保证 Christian [Szegedy] 最近编写的代码 应用relu 在国阵之前。不过，它仍然偶尔会成为争论的话题。

关于你的第二个问题：在tensorflow中，你可以使用高级的tf.layers.batch_normalization函数，也可以使用低级的tf.nn.batch_normalization。

【参考方案2】：

关于这个问题有一些争论。 This Stack Overflow thread 和 this keras thread 是辩论的例子。 Andrew Ng 说批量归一化应该在当前层的非线性之前立即应用。 BN 论文的作者也说过，但是现在根据 keras 线程上的 François Chollet 的说法，BN 论文的作者在激活层之后使用了 BN。另一方面，the one discussed on this torch-residual-networks github issue 等一些基准表明 BN 在激活层之后表现更好。

我目前的观点（有待纠正）是你应该在激活层之后做 BN，如果你有预算并试图挤出额外的精度，那么在激活层之前尝试。

因此，将 Batch Normalization 添加到您的 CNN 将如下所示：

Conv1
Relu1
BatchNormalization
Pooling1
Conv2
Relu2
BatchNormalization
Pooling3
FullyConnect1
BatchNormalization
FullyConnect2
BatchNormalization

【讨论】：

可能差别不大，但池化后的归一化可能会快一点。

【参考方案3】：

除了原论文在激活前使用批量归一化外，Bengio 的书Deep Learning, section 8.7.1 给出了为什么在激活之后（或直接在输入到下一层之前）应用批量归一化可能会导致一些问题的原因：

很自然地想知道我们是否应该将批量标准化应用于 输入 X，或转换后的值 XW+b。约夫和塞格迪 (2015) 推荐后者。更具体地说，XW+b 应该被替换为 XW 的标准化版本。应该省略偏置项，因为它 随着批次应用的 β 参数变得多余 归一化重新参数化。层的输入通常是 非线性激活函数的输出，例如修正后的线性 在前一层中起作用。输入的统计数据因此是 更非高斯且更不易通过线性标准化 操作。

换句话说，如果我们使用 relu 激活，所有负值都映射为零。这可能会导致平均值已经非常接近于零，但剩余数据的分布将严重向右倾斜。试图将数据归一化为漂亮的钟形曲线可能不会给出最好的结果。对于 relu 系列之外的激活，这可能不是什么大问题。

有些报告在激活后进行批量归一化时效果更好，而另一些则在激活之前进行批量归一化得到更好的结果。这是一场公开辩论。我建议您使用这两种配置来测试您的模型，如果激活后的批量标准化显着降低了验证损失，请改用该配置。