动手学深度学习(pytorch)学习记录31-批量规范化(batch normalization)[学习记录]
目录
- 批量规范化(batch normalization)
- 从头开始实现一个具有张量的批量规范化层
- 简明实现
批量规范化(batch normalization)
可持续加速深层网络的的收敛速度。再结合残差块,批量规范化使得研究人员可以训练100层以上的网络。
为什么需要批量规范化层呢?
1、数据预处理的方式通常会对最终结果产生巨大影响;
2、中间层的变量可能具有更广变化范围,由于可变值的范围不同,是否需要对学习率进行调整;
3、深层的网络很复杂,容易过拟合。
批量规范化层的在训练模式中,通过小批量统计数据进行规范化;在预测模式中通过数据集统计进行规范化。
从头开始实现一个具有张量的批量规范化层
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
def batch_norm(X, gamma, beta, moving_mean, moving_var, eps, momentum):
# 通过is_grad_enabled来判断当前模式是训练模式还是预测模式
if not torch.is_grad_enabled():
# 如果是在预测模式下,直接使用传入的移动平均所得的均值和方差
X_hat = (X - moving_mean) / torch.sqrt(moving_var + eps)
else:
assert len(X.shape) in (2, 4)
if len(X.shape) == 2:
# 使用全连接层的情况,计算特征维上的均值和方差
mean = X.mean(dim=0)
var = ((X - mean) ** 2).mean(dim=0)
else:
# 使用二维卷积层的情况,计算通道维上(axis=1)的均值和方差。
# 这里我们需要保持X的形状以便后面可以做广播运算
mean = X.mean(dim=(0, 2, 3), keepdim=True)
var = ((X - mean) ** 2).mean(dim=(0, 2, 3), keepdim=True)
# 训练模式下,用当前的均值和方差做标准化
X_hat = (X - mean) / torch.sqrt(var + eps)
# 更新移动平均的均值和方差
moving_mean = momentum * moving_mean + (1.0 - momentum) * mean
moving_var = momentum * moving_var + (1.0 - momentum) * var
Y = gamma * X_hat + beta # 缩放和移位
return Y, moving_mean.data, moving_var.data
创建一个正确的BatchNorm层
class BatchNorm(nn.Module):
# num_features:完全连接层的输出数量或卷积层的输出通道数。
# num_dims:2表示完全连接层,4表示卷积层
def __init__(self, num_features, num_dims):
super().__init__()
if num_dims == 2:
shape = (1, num_features)
else:
shape = (1, num_features, 1, 1)
# 参与求梯度和迭代的拉伸和偏移参数,分别初始化成1和0
self.gamma = nn.Parameter(torch.ones(shape))
self.beta = nn.Parameter(torch.zeros(shape))
# 非模型参数的变量初始化为0和1
self.moving_mean = torch.zeros(shape)
self.moving_var = torch.ones(shape)
def forward(self, X):
# 如果X不在内存上,将moving_mean和moving_var
# 复制到X所在显存上
if self.moving_mean.device != X.device:
self.moving_mean = self.moving_mean.to(X.device)
self.moving_var = self.moving_var.to(X.device)
# 保存更新过的moving_mean和moving_var
Y, self.moving_mean, self.moving_var = batch_norm(
X, self.gamma, self.beta, self.moving_mean,
self.moving_var, eps=1e-5, momentum=0.9)
return Y
使用批量规范化层的 LeNet
net = nn.Sequential(
nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5), BatchNorm(6, num_dims=4), nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5), BatchNorm(16, num_dims=4), nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2), nn.Flatten(),
nn.Linear(16*4*4, 120), BatchNorm(120, num_dims=2), nn.Sigmoid(),
nn.Linear(120, 84), BatchNorm(84, num_dims=2), nn.Sigmoid(),
nn.Linear(84, 10))
lr, num_epochs, batch_size = 1.0, 10, 256
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size)
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
loss 0.273, train acc 0.898, test acc 0.881
19328.6 examples/sec on cuda:0
看从第一个批量规范化层中学到的拉伸参数gamma和偏移参数beta
net[1].gamma.reshape((-1,)), net[1].beta.reshape((-1,))
(tensor([3.9210, 1.8005, 0.3629, 1.7734, 2.6866, 3.6042], device='cuda:0',
grad_fn=<ViewBackward0>),
tensor([-2.6395, -2.0010, 0.3424, -2.0999, -1.0537, -3.7402], device='cuda:0',
grad_fn=<ViewBackward0>))
简明实现
直接使用深度学习框架中定义的BatchNorm
net = nn.Sequential(
nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5), nn.BatchNorm2d(6), nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),
nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5), nn.BatchNorm2d(16), nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2), nn.Flatten(),
nn.Linear(256, 120), nn.BatchNorm1d(120), nn.Sigmoid(),
nn.Linear(120, 84), nn.BatchNorm1d(84), nn.Sigmoid(),
nn.Linear(84, 10))
通常高级API变体运行速度快得多,因为它的代码已编译为C++或CUDA,而我们的自定义代码由Python实现。
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())
loss 0.276, train acc 0.898, test acc 0.873
31860.4 examples/sec on cuda:0
· 本文使用了d2l包,这极大地减少了代码编辑量,需要安装d2l包才能运行本文代码
封面图片来源
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恳请大佬批评指正。