[人工智能]torch.nn.BatchNormxd

本篇博客主要讲解BatchNorm函数的执行过程，需要读者有一定的批归一化的基础，本文例子通俗易懂，如果没有基础也可以阅读

在PyTorch中BatchNorm有三个函数，这里主要讲解前两个，后面的就很容易理解，首先要明白批归一化是做什么的：BatchNorm在深度网络中用来加速神经网络的训练，能够加速收敛并且可以使用较大的学习率，同时归一化还有一定的正则作用

一、torch.nn.BatchNorm1d

torch.nn.BatchNorm1d(num_features, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True, device=None, dtype=None)

归一化的结果如下所示：
$$y=\frac{x?E[x]}{\sqrt{Var[x]+?}}?\gamma +\beta$$
其中$E[x]$为样本某一维的均值，$Var[x]$为样本某一维的方差，注意这里计算方差的时候使用的是有偏估计，对应的函数为torch.var(input, unbiased=False)，什么意思呢，就是说计算方差的时候分母为$N$而不是$N?1$，即$Var[x]=\frac{1}{N}{\sum }_{i=1}^N(x_i?\overline{x})$

• num_features：输入样本的特征数
• eps：避免归一化时分母为0
• momentum：用来计算running_mean和running_var的一个量
• affine：是否进行缩放平移
• track_running_stats：是否统计全局的running_mean和running_var

下面通过一个例子来详细介绍各个参数的作用

1. 初始化

下面我们将nn.BatchNorm1d(2, affine=False)中的affine有的设为了True，有的设为了False，这里默认为True，就是说对于上面公式中的$\gamma 和\beta$我们是要学习的，在BatchNorm中他们的参数分别为batch.weight以及batch.bias，默认为1和0，之后通过学习反向传播时会发生变化

import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn


torch.manual_seed(1)
m = nn.BatchNorm1d(2)  # With Learnable Parameters
print('m:', m)
n = nn.BatchNorm1d(2, affine=False)  # Without Learnable Parameters
print('n:', n)
input = torch.randn(3, 2)
print('input:', input)
'''
m: BatchNorm1d(2, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
n: BatchNorm1d(2, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=False, track_running_stats=True)
input: tensor([[-0.2293, -1.4997],
        [-0.7896, -1.0517],
        [-1.0352,  0.9538]])
'''

2. 求上述数据的均值和方差

我们初始化的input维度为$(3,2)$，也就是说我们的batch取了3，每一个数据有两个特征，下面我们用torch和numpy来计算input的均值和方差，从中我们可以看出numpy是用有偏估计来计算方差的

最后我们手动计算均值和方差来进行一下验证，可以看到均值的计算是正确的，方差仅计算了第一列（也就是第一个特征）也是正确的，最后输出的y就是归一化的输出值$[1.2550657?0.06307937?1.1919862{]}^T$这里加上转置，因为是第一列归一化的结果，所以是列排列，这个y在这一节不重要，我们在下面会再次提到

# tensor求均值和方差
torch_mean = torch.mean(input, dim=0)
torch_var_biased = torch.var(input, dim=0, unbiased=False)
torch_var = torch.var(input, dim=0)
print('torch_mean:------------', torch_mean)
print('torch_var:-------------', torch_var)
print('torch_var_biased:------', torch_var_biased)
print()
'''
torch_mean:------------ tensor([0.0904, 0.2407])
torch_var:------------- tensor([0.3105, 0.1555])
torch_var_biased:------ tensor([0.2070, 0.1037])
'''


# numpy求均值和方差
input_numpy = input.numpy()
numpy_mean = np.mean(input_numpy, axis=0)
numpy_var = np.var(input_numpy, axis=0)
print('numpy_mean:------------', numpy_mean)
print('numpy_var:-------------', numpy_var)
print()
'''
numpy_mean:------------ [0.09037449 0.24070372]
numpy_var:------------- [0.20696904 0.10368937]
'''


# manual
man_mean = np.sum(input_numpy, axis=0)/3
print('man_mean:--------------', man_mean)
temp = input_numpy[:,0]-man_mean[0]
print('temp:------------------', temp)
man_var = np.sum(np.power(temp, 2))/3
print(man_var)
y = (input_numpy[:,0]-man_mean[0])/(np.sqrt(man_var))
print('y:---------------------', y)
print()
'''
man_mean:-------------- [0.09037449 0.24070372]
temp:------------------ [ 0.5709777  -0.02869723 -0.54228044]
0.20696904261906943
y:--------------------- [ 1.2550657  -0.06307937 -1.1919862 ]
'''

3. 归一化

下面验证归一化的结果，发现torch.nn.BatchNorm1d的输出和我们手动计算的有偏估计方差的结果是一样的

# Batchnorm
output = m(input) # 列归一化
print('output:', output)
'''
output: tensor([[ 1.2550,  0.0814],
        [-0.0631,  1.1819],
        [-1.1920, -1.2634]], grad_fn=<NativeBatchNormBackward>)
'''


# manual batchnorm
output_val = (input-torch_mean)/torch.sqrt(torch_var_biased)
print('output_val:', output_val)
'''
output_val: tensor([[ 1.2551,  0.0814],
        [-0.0631,  1.1820],
        [-1.1920, -1.2634]])
'''

4. BatchNorm源码

在第五节中我们会讲到running_mean以及running_var，所以这里先看一下BatchNorm手动定义的源码（非官方），首先我们思考这样一个问题，在训练的时候我们有一批样本batch来求均值和方差，如果是测试的时候呢？我们每次只输入一个数据，如何计算均值和方差呢？这里BatchNorm函数已经替我们考虑好了，这就涉及到了running_mean以及running_var这两个变量

训练时的BatchNorm，一共分为三步

• 第一步训练的running_mean，running_var会被设为0和1
• 第二步计算当前样本的均值和方差，并将样本进行归一化处理
• 第三步通过当前样本的均值和方差以及之前的累积的均值和方差更新running_mean和running_var，一般来说之前累积的均值和方差会占较高的权重

def Batchnorm_for_train(x, gamma, beta, bn_param):
"""
param:x    : 输入数据，设shape(B,L)
param:gama : 缩放因子  γ
param:beta : 平移因子  β
param:bn_param   : batchnorm所需要的一些参数
    eps      : 接近0的数，防止分母出现0
    momentum : 动量参数，一般为0.1, 0.01, 0.001
    running_mean ：滑动平均的方式计算新的均值，训练时计算，为测试数据做准备
    running_var  : 滑动平均的方式计算新的方差，训练时计算，为测试数据做准备
"""
    running_mean = bn_param['running_mean']  #shape = [B]
    running_var = bn_param['running_var']    #shape = [B]
    results = 0. # 建立一个新的变量
 
    x_mean=x.mean(axis=0)  # 计算x的均值
    x_var=x.var(axis=0)    # 计算方差
    x_normalized=(x-x_mean)/np.sqrt(x_var+eps)       # 归一化
    results = gamma * x_normalized + beta            # 缩放平移
 
    running_mean = (1-momentum) * running_mean + momentum * x_mean
    running_var = (1-momentum) * running_var + momentum * x_var
 
    #记录新的值
    bn_param['running_mean'] = running_mean
    bn_param['running_var'] = running_var 
 
    return results , bn_param

测试时的BatchNorm

• 我们在训练时已经计算过running_mean和running_var了，所以这里直接带入对单一样本进行归一化即可
• 如果之前学习了缩放平移因子，这里最后还要进行缩放平移

def Batchnorm_for_test(x, gamma, beta, bn_param):
"""
param:x    : 输入数据，设shape(B,L)
param:gama : 缩放因子  γ
param:beta : 平移因子  β
param:bn_param   : batchnorm所需要的一些参数
    eps      : 接近0的数，防止分母出现0
    momentum : 动量参数，一般为0.9， 0.99， 0.999
    running_mean ：滑动平均的方式计算新的均值，训练时计算，为测试数据做准备
    running_var  : 滑动平均的方式计算新的方差，训练时计算，为测试数据做准备
"""
    running_mean = bn_param['running_mean']  #shape = [B]
    running_var = bn_param['running_var']    #shape = [B]
    results = 0. # 建立一个新的变量
 
    x_normalized=(x-running_mean )/np.sqrt(running_var +eps)       # 归一化
    results = gamma * x_normalized + beta            # 缩放平移
 
    return results , bn_param

注意：在用PyTorch来训练和测试数据时，在训练时加入model.train()，测试时加入model.eval()来让BatchNorm区分到底是训练还是测试

5. 实例

接着上述1、2、3的内容，我们通过一个模型来查看BatchNorm的参数变化，如下所示，我们定义了一个模型，里面只有一个BatchNorm1d，我们将之前随机的样本继续作为输入，可以看到当设置affine默认为True的时候，输出是有batch.weight tensor([1., 1.])以及batch.bias tensor([0., 0.])。并且输出结果与3的结果相同，这里特别注意下面两个参数

• batch.running_mean tensor([0.0090, 0.0241]) torch.Size([2])
• batch.running_var tensor([0.9310, 0.9156]) torch.Size([2])

这时我们的第一次计算，这两个参数是怎么得到的呢，还记得初始化的时候track_running_stats为True吗，这两个参数就是在他为True的时候通过momentum来计算的，如果track_running_stats为False就没有running_mean和running_var两个变量了，公式如下

• $running\_mean=(1?momentum)?running\_mean+momentum?x\_mean$
• $running\_var=(1?momentum)?running\_var+momentum?x\_var$

在上面我们已经计算出了均值和方差分别为:

torch_mean:------------- tensor([0.0904, 0.2407])
torch_var:----------------- tensor([0.3105, 0.1555])
torch_var_biased:------ tensor([0.2070, 0.1037])

所以

$running\_mean=[0.9?0+0.1?0.0903,0.9?0+0.1?0.2407]=[0.0090,0.0241]$

$running\_var=[0.9?1+0.1?0.2070,0.9?1+0.1?0.1037]=[0.9207,0.9104]$

等等！var的结果怎么和$tensor([0.9310,0.9156])$不一样了！还记得之前说过的无偏估计和有偏估计吗，在计算批量数据的方差时我们采用的是有偏估计，但是当用来计算running_mean和running_var时，就要采用无偏估计了，我们计算看一下

$running\_var=[0.9?1+0.1?0.3105,0.9?1+0.1?0.1555]=[0.9311,0.9155]$，这下就和上面的一样了

注意：由于在计算running_mean和running_var的时候用的是无偏估计，所以分母为$N?1$，这就要求我们的batch_size必须大于一，不然会出错

class Model(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        self.batch = nn.BatchNorm1d(2, momentum=0.1)

    def forward(self, input):
        output = self.batch(input)
        return output
    
model = Model()
print(model)
model.train()

print("1.-----------------------------------------------------------------")
out = model(input)
print("model out: ", out)
model_param = model.state_dict()
for param_tensor in model_param:
    # print key value字典
    print(param_tensor, '\t', model.state_dict()[param_tensor], '\t', model.state_dict()[param_tensor].size())
'''
1.-----------------------------------------------------------------
model out:  tensor([[ 1.2550,  0.0814],
        [-0.0631,  1.1819],
        [-1.1920, -1.2634]], grad_fn=<NativeBatchNormBackward>)
batch.weight     tensor([1., 1.])        torch.Size([2])
batch.bias       tensor([0., 0.])        torch.Size([2])
batch.running_mean       tensor([0.0090, 0.0241])        torch.Size([2])
batch.running_var        tensor([0.9310, 0.9156])        torch.Size([2])
batch.num_batches_tracked        tensor(1)       torch.Size([])
'''

下面我们再次运行上述程序的结果，由于我们的输入没有变化，在第一步已经进行归一化了，所以这一步的输出不变，但是由于第一步计算过了running_mean和running_var，所以这里就不是0和1了，带入以后和下面的输出是一致的，这里就不进行验证了

print("2.-----------------------------------------------------------------")
out = model(input)
print("model out: ", out)
model_param = model.state_dict()
for param_tensor in model_param:
    # print key value字典
    print(param_tensor, '\t', model.state_dict()[param_tensor], '\t', model.state_dict()[param_tensor].size())
'''
2.-----------------------------------------------------------------
model out:  tensor([[ 1.2550,  0.0814],
        [-0.0631,  1.1819],
        [-1.1920, -1.2634]], grad_fn=<NativeBatchNormBackward>)
batch.weight     tensor([1., 1.])        torch.Size([2])
batch.bias       tensor([0., 0.])        torch.Size([2])
batch.running_mean       tensor([0.0172, 0.0457])        torch.Size([2])
batch.running_var        tensor([0.8690, 0.8396])        torch.Size([2])
batch.num_batches_tracked        tensor(2)       torch.Size([])
'''

在第三步和第四步我们改变输入，model的输出也会随之改变，有兴趣的同学可以手动算一下

print("3.-----------------------------------------------------------------")
input = torch.randn(3, 2)
out = model(input)
print("model out: ", out)
model_param = model.state_dict()
for param_tensor in model_param:
    # print key value字典
    print(param_tensor, '\t', model.state_dict()[param_tensor], '\t', model.state_dict()[param_tensor].size())
'''
3.-----------------------------------------------------------------
model out:  tensor([[-1.3844,  1.1957],
        [ 0.4426, -1.2518],
        [ 0.9419,  0.0560]], grad_fn=<NativeBatchNormBackward>)
batch.weight     tensor([1., 1.])        torch.Size([2])
batch.bias       tensor([0., 0.])        torch.Size([2])
batch.running_mean       tensor([-0.0993,  0.0332])      torch.Size([2])
batch.running_var        tensor([0.7931, 0.7779])        torch.Size([2])
batch.num_batches_tracked        tensor(3)       torch.Size([])
'''

第四步同第三步，不做过多介绍

print("4.-----------------------------------------------------------------")
input = torch.randn(3, 2)
out = model(input)
print("model out: ", out)
model_param = model.state_dict()
for param_tensor in model_param:
    # print key value字典
    print(param_tensor, '\t', model.state_dict()[param_tensor], '\t', model.state_dict()[param_tensor].size())
Model(
  (batch): BatchNorm1d(2, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
)
'''
4.-----------------------------------------------------------------
model out:  tensor([[-0.3666, -1.1052],
        [ 1.3661,  1.3167],
        [-0.9995, -0.2115]], grad_fn=<NativeBatchNormBackward>)
batch.weight     tensor([1., 1.])        torch.Size([2])
batch.bias       tensor([0., 0.])        torch.Size([2])
batch.running_mean       tensor([-0.0958, -0.0104])      torch.Size([2])
batch.running_var        tensor([0.7329, 0.7390])        torch.Size([2])
batch.num_batches_tracked        tensor(4)       torch.Size([])
'''