tf.layers.batch_normalization 中“可训练”和“训练”标志的意义

Posted 2023-02-23

【中文标题】tf.layers.batch_normalization 中“可训练”和“训练”标志的意义

【英文标题】：significance of "trainable" and "training" flag in tf.layers.batch_normalization

【发布时间】：2018-10-16 23:18:09

【问题描述】：

tf.layers.batch_normalization 中“trainable”和“training”标志的意义是什么？这两者在训练和预测过程中有何不同？

【参考方案1】：

批量规范有两个阶段：

1. Training:
   -  Normalize layer activations using `moving_avg`, `moving_var`, `beta` and `gamma` 
     (`training`* should be `True`.)
   -  update the `moving_avg` and `moving_var` statistics. 
     (`trainable` should be `True`)
2. Inference:
   -  Normalize layer activations using `beta` and `gamma`.
      (`training` should be `False`)

用于说明少数情况的示例代码：

#random image
img = np.random.randint(0,10,(2,2,4)).astype(np.float32)

# batch norm params initialized
beta = np.ones((4)).astype(np.float32)*1 # all ones 
gamma = np.ones((4)).astype(np.float32)*2 # all twos
moving_mean = np.zeros((4)).astype(np.float32) # all zeros
moving_var = np.ones((4)).astype(np.float32) # all ones

#Placeholders for input image
_input = tf.placeholder(tf.float32, shape=(1,2,2,4), name='input')

#batch Norm
out = tf.layers.batch_normalization(
       _input,
       beta_initializer=tf.constant_initializer(beta),
       gamma_initializer=tf.constant_initializer(gamma),
       moving_mean_initializer=tf.constant_initializer(moving_mean),
       moving_variance_initializer=tf.constant_initializer(moving_var),
       training=False, trainable=False)


update_ops = tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)
init_op = tf.global_variables_initializer()

 ## 2. Run the graph in a session 

 with tf.Session() as sess:

    # init the variables   
    sess.run(init_op)

    for i in range(2):
        ops, o = sess.run([update_ops, out], feed_dict=_input: np.expand_dims(img, 0))
        print('beta', sess.run('batch_normalization/beta:0'))
        print('gamma', sess.run('batch_normalization/gamma:0'))
        print('moving_avg',sess.run('batch_normalization/moving_mean:0'))
        print('moving_variance',sess.run('batch_normalization/moving_variance:0'))
        print('out', np.round(o))
        print('')

当training=False 和trainable=False：

  img = [[[4., 5., 9., 0.]...
  out = [[ 9. 11. 19.  1.]... 
  The activation is scaled/shifted using gamma and beta.

当training=True 和trainable=False：

  out = [[ 2.  2.  3. -1.] ...
  The activation is normalized using `moving_avg`, `moving_var`, `gamma` and `beta`. 
  The averages are not updated.

当traning=True 和trainable=True：

  The out is same as above, but the `moving_avg` and `moving_var` gets updated to new values.

  moving_avg [0.03249997 0.03499997 0.06499994 0.02749997]
  moving_variance [1.0791667 1.1266665 1.0999999 1.0925]

【讨论】：

谢谢@vijay m

在推理过程中，不应该使用从训练中“学习”的移动平均值和方差对激活进行归一化吗？

【参考方案2】：

这很复杂。 而在 TF 2.0 中，行为发生了变化，请参见：

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/095272a4dd259e8acd3bc18e9eb5225e7a4d7476/tensorflow/python/keras/layers/normalization_v2.py#L26

关于在BatchNormalization 层上设置layer.trainable = False：

设置layer.trainable = False的意思是冻结 层，即其内部状态在训练期间不会改变： 在fit() 期间不会更新其可训练权重或 train_on_batch()，其状态更新将不会运行。通常， 这并不一定意味着该层在推理中运行 模式（通常由training 参数控制，该参数可以 调用层时传递）。 “冻结状态”和“推理模式” 是两个独立的概念。

但是，对于BatchNormalization 图层，在图层上设置trainable = False 表示该图层将 随后以推理模式运行（这意味着它将使用 移动均值和移动方差以标准化当前批次， 而不是使用当前批次的均值和方差）。这 TensorFlow 2.0 中引入了行为，以启用 layer.trainable = False产生最普遍的预期 convnet 微调用例中的行为。请注意：

此行为仅从 TensorFlow 2.0 开始出现。在 1.* 中，设置 layer.trainable = False 会冻结图层但不会 将其切换到推理模式。 在包含其他层的模型上设置trainable 将递归设置所有内层的trainable 值。 如果在模型上调用compile()后更改了trainable属性的值，则新的值不会对此生效 模型直到再次调用 compile()。

【参考方案3】：

training 控制是使用训练模式batchnorm（使用来自该小批量的统计数据）还是推理模式batchnorm（使用训练数据的平均统计数据）。 trainable 控制在 batchnorm 过程中创建的变量本身是否可训练。