前言

公眾號(hào)在前面發(fā)過三篇分別對(duì)BatchNorm解讀、分析和總結(jié)的文章(文章鏈接在文末),閱讀過這三篇文章的讀者對(duì)BatchNorm和歸一化方法應(yīng)該已經(jīng)有了較深的認(rèn)識(shí)和理解。在本文將介紹一篇關(guān)于BatchNorm舉足輕重的論文,這篇論文對(duì)進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn),非常全面地考慮了BatchNorm中的Batch。

歡迎關(guān)注公眾號(hào) CV技術(shù)指南 ,專注于計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù)總結(jié)、最新技術(shù)跟蹤、經(jīng)典論文解讀。

Motivation

BatchNorm 區(qū)別于其他深度學(xué)習(xí)算子的關(guān)鍵因素是它對(duì)批量數(shù)據(jù)而不是單個(gè)樣本進(jìn)行操作。BatchNorm 混合批次中的信息以計(jì)算歸一化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),而其他算子獨(dú)立處理批次中的每個(gè)樣本。因此,BatchNorm 的輸出不僅取決于單個(gè)樣本的屬性,還取決于樣本分組的方式。

如上左圖所示,按照采樣大小,上中下三圖表示BatchNorm的采樣方式分別為entire dataser、mini-batches和subset of mini-batches。

如上右圖所示,按照采樣風(fēng)格,上中下三圖表示BatchNorm的采樣方式分別為entire domain、each domain和mixture of each domain。

論文研究了 BatchNorm 中批處理的這些選擇,證明了在不考慮批處理構(gòu)建的不同選擇的情況下,應(yīng)用批處理規(guī)范可能會(huì)在許多方面產(chǎn)生負(fù)面影響,但可以通過在批處理方式上做出謹(jǐn)慎選擇來提高模型性能。

Review of BatchNorm

在一個(gè)mini-batches中,在每一BN層中,對(duì)每個(gè)通道計(jì)算它們的均值和方差,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,歸一化的值具有零均值和單位方差的特點(diǎn),最后使用兩個(gè)可學(xué)習(xí)參數(shù)gamma和beta對(duì)歸一化的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放和移位。

此外,在訓(xùn)練過程中還保存了每個(gè)mini-batches每一BN層每一通道的均值和方差,最后求所有mini-batches均值和方差的期望值,以此來作為推理過程中該BN層各自通道的均值和方差。

Whole Population as a Batch

在訓(xùn)練期間,BatchNorm 使用mini-batch的樣本計(jì)算歸一化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。但是,當(dāng)模型用于測試時(shí),通常不再有 mini-batch 的概念。最初提出BatchNorm是在測試時(shí),特征應(yīng)該通過在整個(gè)訓(xùn)練集上計(jì)算的總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) μ、σ 進(jìn)行歸一化。這里的 μ、σ 被定義為批次統(tǒng)計(jì)量 ?, σ 使用整個(gè)population作為“Batch”。

廣泛使用EMA 算法來計(jì)算 ?, σ,但它并不總是能準(zhǔn)確地訓(xùn)練population數(shù)據(jù),因此論文提出了新的算法PreciseBN。

Inaccuracy of EMA

EMA: exponential moving average

算法公式如下:

由于以下原因,EMA會(huì)導(dǎo)致模型估計(jì)Population數(shù)據(jù)次優(yōu):

當(dāng) λ 很大時(shí),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收斂緩慢。由于每次更新迭代僅對(duì) EMA 貢獻(xiàn)一小部分 (1-λ),因此 EMA 需要大量更新才能收斂到穩(wěn)定的估計(jì)值。隨著模型的更新,情況變得更糟:EMA 主要由過去的輸入特征主導(dǎo),隨著模型的訓(xùn)練這些特征已經(jīng)過時(shí)。

當(dāng) λ 較小時(shí),EMA 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由較少數(shù)量的近期mini-batch主導(dǎo),并不代表整個(gè)populatioin。

PreciseBN

PreciseBN通過以下兩個(gè)步驟來近似Population統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

(固定)模型在許多小批量上應(yīng)用來收集Batch統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);

將per-batch統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)聚合為總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

與EMA相比,PreciseBN多了兩個(gè)重要的屬性:

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)完全根據(jù)固定模型狀態(tài)計(jì)算,與使用模型歷史狀態(tài)的 EMA 不同;

所有樣本的權(quán)重相等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1．PreciseBN比BN更穩(wěn)定。

2．當(dāng)batchsize很大時(shí),EMA算法不穩(wěn)定。作者認(rèn)為不穩(wěn)定性是由大批量訓(xùn)練中損害 EMA 統(tǒng)計(jì)收斂性的兩個(gè)因素造成的:(1)32 倍大的學(xué)習(xí)率導(dǎo)致特征發(fā)生更劇烈的變化;(2) 由于總訓(xùn)練迭代次數(shù)減少,EMA 的更新次數(shù)減少了 32 倍。

3．PreciseBN只需要個(gè)樣本就可以得到穩(wěn)定的結(jié)果。

4．小Batch會(huì)累計(jì)誤差。

Batch in Training and Testing

在訓(xùn)練和推理期間使用的Batch統(tǒng)計(jì)量不一致:訓(xùn)練期間使用mini-batch統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),推理期間使用訓(xùn)練期間所有mini-batch通過EMA算法近似得到的population統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。論文分析了這種不一致對(duì)模型性能的影響,并指出在某些情況下可以輕松消除不一致以提高性能。

為了避免混淆,將SGD batch size或者total batch size定義為所有GPU上總的batch size大小,將normalization batch size定義為單個(gè)GPU上的batch size大小。(注:這一點(diǎn)在《歸一化方法總結(jié)》一文中有提到,當(dāng)使用多個(gè)GPU時(shí),實(shí)際的mini-batch統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)只基于batchsize/GPU數(shù)的樣本上統(tǒng)計(jì))

normalization batch size對(duì)訓(xùn)練噪聲和訓(xùn)練測試不一致性有直接影響:較大的Batch將mini-batch統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)推向更接近總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),從而減少訓(xùn)練噪聲和訓(xùn)練測試不一致

為了便于分析,論文觀察了3種不同評(píng)估方法的錯(cuò)誤率:

在訓(xùn)練集上對(duì)mini-batch統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行評(píng)估

在驗(yàn)證集上對(duì)mini-batch統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行評(píng)估

在驗(yàn)證集上對(duì)population統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行評(píng)估

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

小的normalization batch size(例如 2 或 4)性能不佳,但如果使用mini-batch統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(藍(lán)色曲線),該模型實(shí)際上具有不錯(cuò)的性能。結(jié)果表明,mini-batch統(tǒng)計(jì)和總體統(tǒng)計(jì)之間的巨大不一致是影響mini-batch性能的主要因素。

另一方面,當(dāng)normalization batch size較大時(shí),小的不一致可以提供正則化以減少驗(yàn)證錯(cuò)誤。這導(dǎo)致紅色曲線比藍(lán)色曲線表現(xiàn)更好。

基于以上結(jié)論,論文給出兩個(gè)消除不一致用來提高性能的方法

Use Mini-batch in Inference

Use Population Batch in Training

Batch from Different Domains

BatchNorm 模型的訓(xùn)練過程可以被視為兩個(gè)獨(dú)立的階段:首先通過 SGD 學(xué)習(xí)特征,然后通過 EMA 或 PreciseBN 使用這些特征訓(xùn)練總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。我們將這兩個(gè)階段稱為“SGD training”和“population statistics training”。

在本節(jié)中,論文分析出現(xiàn)domain gap的兩種情況:當(dāng)模型在一個(gè)domain上訓(xùn)練但在其他domain上測試時(shí),以及當(dāng)模型在多個(gè)domain上訓(xùn)練時(shí)。這兩者都會(huì)使 BatchNorm 的使用復(fù)雜化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1. 當(dāng)存在顯著的域偏移時(shí),模型在對(duì)評(píng)估中使用的domain會(huì)比使用 SGD 訓(xùn)練,進(jìn)行總體統(tǒng)計(jì)訓(xùn)練后獲得最佳錯(cuò)誤率。直觀地說,根據(jù)domain組成Batch可以減少訓(xùn)練測試的不一致并提高對(duì)新數(shù)據(jù)分布的泛化能力。

2. BatchNorm 在mixture of multi-domain data上的domain-specific training在以前的工作中經(jīng)常被提出,名稱為“Domain-Specific BN”、“Split BN”、“Mixture BN”,“Auxiliary BN”,“Transferable Norm”。這些方法都包含以下三種選擇中的一些。

Domain-specific SGD training

Domain-specific population statistics

Domain-specific affine transform

通過消除上述三個(gè)選擇,我們表明在 SGD training和population statistics training之間使用一致的策略很重要,盡管這種實(shí)現(xiàn)可能看起來不直觀。

Information Leakage within a Batch

我在《歸一化方法總結(jié)》中總結(jié)到,BN的三個(gè)缺陷之一便是當(dāng)mini-batch中的樣本非獨(dú)立同分布時(shí),性能比較差,作者認(rèn)為這是由于Information Leakage導(dǎo)致的。

論文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用random采樣的mini-batch統(tǒng)計(jì)量時(shí),驗(yàn)證誤差會(huì)增加,當(dāng)使用population統(tǒng)計(jì)量時(shí),驗(yàn)證誤差會(huì)隨著epoch的增加逐漸增大,驗(yàn)證了BN信息泄露問題的存在。

為了處理信息泄露問題,之前常見的做法是使用SyncBN,來弱化mini-batch內(nèi)樣本之間的相關(guān)性。另一種解決方法是在進(jìn)入head之前在GPU之間隨機(jī)打亂RoI features,這給每個(gè)GPU分配了一個(gè)隨機(jī)的樣本子集來進(jìn)行歸一化,同時(shí)也削弱了min-batch樣本之間的相關(guān)性,如下圖所示。

如下圖所示,實(shí)驗(yàn)證明 shuffling和 SyncBN 都有效地解決了信息泄漏問題,允許head在測試時(shí)很好地概括population statistics。

在速度方面,對(duì)于深度模型,shuffle 需要較少的 cross-GPU 同步,但每次同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比 SyncBN 層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多。因此,它們的相對(duì)效率因模型架構(gòu)而異。據(jù)比SyncBN多。因此,shuffling和SyncBN的相對(duì)效率跟具體模型架構(gòu)相關(guān)。

總結(jié)

本文回顧了BatchNorm算法;分析了使用mini-batches計(jì)算的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和基于population作為batch計(jì)算的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的效果,提出了PreciseBN近似統(tǒng)計(jì)算法,該算法相比于常用的EMA算法有更穩(wěn)定的效果;分析了根據(jù)不同domain來組成mini-batch的效果差異;分析了處理mini-batch中的樣本非獨(dú)立同分布情況的兩種方法。

結(jié)合前面的三篇文章《Batch Normalization》、《可視化的BatchNorm--它的工作方式以及為什么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要它》、《歸一化方法總結(jié) | 又名"BN和它的后浪們"》,相信讀者會(huì)對(duì)BatchNorm會(huì)有一個(gè)非常全面的認(rèn)識(shí),并進(jìn)一步加深對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理解。

本文來源于公眾號(hào) CV技術(shù)指南 的論文分享系列。

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