深度学习图像算法工程师--面试准备（2）

深度学习面试准备

深度学习图像算法工程师–面试准备（1）
深度学习图像算法工程师–面试准备（2）

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前言

参考文章

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一、Batch Normalization(批归一化)

• BatchNormalization的作用是通过规范化的手段,将越来越偏的分布拉回到标准化的分布,使得激活函数的输入值落在激活函数对输入比较敏感的区域,从而使梯度变大,加快学习收敛速度,避免梯度消失的问题。
• 使得每层网络的输入都服从（0，1）0均值，1方差分布，如果不进行BN，那么每次输入的数据分布不一致，网络训练精度自然也受影响。
• 在Batch中进行 Normalization 计算，其实就是在每个通道进行一次计算，即计算范围是 [Batch, 1, Height,Width]，计算次数是 Channel。

1.1 具体步骤

1. 计算样本均值。
2. 计算样本方差。
3. 样本数据标准化处理。
4. 进行平移和缩放处理。引入了γ和β两个参数。来训练γ和β两个参数。引入了这个可学习重构参数γ、β，让我们的网络可以学习恢复出原始网络所要学习的特征分布。

1.2 BN一般用在网络的哪个部分

先卷积再激活做BN
Conv+BN+Relu
Batch normalization 的 batch 是批数据, 把数据分成小批小批进行 stochastic gradient descent. 而且在每批数据进行前向传递 forward propagation 的时候, 对每一层都进行 normalization 的处理。

二、Layer Normalization(层归一化)

LN和BN不同，LN是根据样本的特征数来做归一化的，完全独立于batch size。在一个Layer中进行计算，可以理解是一个样本中进行Normalization，即计算范围是 [1, Channel, Height, Width]，计算次数是 Batch。
常应用于循环神经网络（RNN）等结构，以解决对于不定长度序列的输入数据的归一化问题。

三、 Internal Covariate Shift

Internal Covariate Shift（内部协变量转移）是指神经网络在训练过程中每一层输入数据分布的变化，即随着网络参数的更新，每一层的输入数据的分布也会发生变化。这种内部协变量转移可能会导致训练过程变得更加困难，因为每一层都需要适应不断变化的输入数据分布。

Internal Covariate Shift 的问题在于，当神经网络每一层的输入数据的分布发生变化时，之前学习到的权重可能就不再适用，这会导致训练过程变得不稳定，需要更小的学习率和更仔细的调参来收敛。同时，由于每一层的输入数据分布的变化，网络可能需要更多的训练样本才能学到有效的表示。

为了解决 Internal Covariate Shift 的问题，批量归一化（Batch Normalization）被引入到神经网络中。批量归一化通过对每一层的输入数据进行归一化，使得每层的输入数据分布保持稳定，有助于加速训练过程、提高模型的泛化能力，并且减少对初始权重的依赖。

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总结

• BN的优点：

• 可以解决“Internal Covariate Shift”

• 解决梯度消失的问题（针对sigmoid），加快收敛速度。

• 对初始权重不那么敏感：BN 使得网络对初始权重的选择不那么敏感，减少了调参的困难。

• BN的缺点：

1. 计算代价：BN 需要额外的计算量来计算均值和方差，可能会增加训练时间。
2. 不适用于小批量数据：在小批量数据上表现可能不稳定，因为均值和方差的估计可能不准确。

• LN的优点：

1. 不依赖于batch size。
2. 适用于RNN；

• LN的缺点：

1. 不适用于CNN。
2. 针对具有多个连续特征的数据，进行特征之间的缩放，可能会导致量纲差异消失。
3. 局部归一化：LN 是在每个样本中所有特征的维度上进行归一化，可能会丢失通道间的信息，不够全局。
4. 缓慢的收敛速度：相对于 BN，LN 可能导致收敛速度较慢，需要更多的训练时间。