本篇博客总结几种归一化办法，并给出相应计算公式和代码。
1、综述
1.1 论文链接
1、Batch Normalization
https://arxiv.org/pdf/1502.03167.pdf
2、Layer Normalizaiton
https://arxiv.org/pdf/1607.06450v1.pdf
3、Instance Normalization
https://arxiv.org/pdf/1607.08022.pdf
https://github.com/DmitryUlyanov/texture_nets
4、Group Normalization
https://arxiv.org/pdf/1803.08494.pdf
5、Switchable Normalization
https://arxiv.org/pdf/1806.10779.pdf
https://github.com/switchablenorms/Switchable-Normalization
1.2 介绍
归一化层，目前主要有这几个方法，Batch Normalization（2015年）、Layer Normalization（2016年）、Instance Normalization（2017年）、Group Normalization（2018年）、Switchable Normalization（2018年）；
将输入的图像shape记为[N, C, H, W]，这几个方法主要的区别就是在，
batchNorm是在batch上，对NHW做归一化，对小batchsize效果不好；
layerNorm在通道方向上，对CHW归一化，主要对RNN作用明显；
instanceNorm在图像像素上，对HW做归一化，用在风格化迁移；
GroupNorm将channel分组，然后再做归一化；
SwitchableNorm是将BN、LN、IN结合，赋予权重，让网络自己去学习归一化层应该使用什么方法。
2、Batch Normalization
首先，在进行训练之前，一般要对数据做归一化，使其分布一致，但是在深度神经网络训练过程中，通常以送入网络的每一个batch训练，这样每个batch具有不同的分布；此外，为了解决internal covarivate shift问题，这个问题定义是随着batch normalizaiton这篇论文提出的，在训练过程中，数据分布会发生变化，对下一层网络的学习带来困难。
所以batch normalization就是强行将数据拉回到均值为0，方差为1的正太分布上，这样不仅数据分布一致，而且避免发生梯度消失。
此外，internal corvariate shift和covariate shift是两回事，前者是网络内部，后者是针对输入数据，比如我们在训练数据前做归一化等预处理操作。
算法过程：
沿着通道计算每个batch的均值u
沿着通道计算每个batch的方差σ^2
对x做归一化，x’=(x-u)/开根号(σ^2+ε)
加入缩放和平移变量γ和β ,归一化后的值，y=γx’+β
加入缩放平移变量的原因是：保证每一次数据经过归一化后还保留原有学习来的特征，同时又能完成归一化操作，加速训练。 这两个参数是用来学习的参数。
import numpy as np
def Batchnorm(x, gamma, beta, bn_param):
# x_shape:[B, C, H, W]
running_mean = bn_param['running_mean']
running_var = bn_param['running_var']
results = 0.
eps = 1e-5
x_mean = np.mean(x, axis=(0, 2, 3), keepdims=True)
x_var = np.var(x, axis=(0, 2, 3), keepdims=True0)
x_normalized = (x - x_mean) / np.sqrt(x_var + eps)
results = gamma * x_normalized + beta
# 因为在测试时是单个图片测试，这里保留训练时的均值和方差，用在后面测试时用
running_mean = momentum * running_mean + (1 - momentum) * x_mean
running_var = momentum * running_var + (1 - momentum) * x_var
bn_param['running_mean'] = running_mean
bn_param['running_var'] = running_var
return results, bn_param
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3、Layer Normalizaiton
batch normalization存在以下缺点：
对batchsize的大小比较敏感，由于每次计算均值和方差是在一个batch上，所以如果batchsize太小，则计算的均值、方差不足以代表整个数据分布；
BN实际使用时需要计算并且保存某一层神经网络batch的均值和方差等统计信息，对于对一个固定深度的前向神经网络（DNN，CNN）使用BN，很方便；但对于RNN来说，sequence的长度是不一致的，换句话说RNN的深度不是固定的，不同的time-step需要保存不同的statics特征，可能存在一个特殊sequence比其他sequence长很多，这样training时，计算很麻烦。（参考于https://blog.csdn.net/lqfarmer/article/details/71439314）
与BN不同，LN是针对深度网络的某一层的所有神经元的输入按以下公式进行normalize操作。
BN与LN的区别在于：
LN中同层神经元输入拥有相同的均值和方差，不同的输入样本有不同的均值和方差；
BN中则针对不同神经元输入计算均值和方差，同一个batch中的输入拥有相同的均值和方差。
所以，LN不依赖于batch的大小和输入sequence的深度，因此可以用于batchsize为1和RNN中对边长的输入sequence的normalize操作。
LN用于RNN效果比较明显，但是在CNN上，不如BN。
def ln(x, b, s):
_eps = 1e-5
output = (x - x.mean(1)[:,None]) / tensor.sqrt((x.var(1)[:,None] + _eps))
output = s[None, :] * output + b[None,:]
return output
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用在四维图像上，
def Layernorm(x, gamma, beta):
# x_shape:[B, C, H, W]
results = 0.
eps = 1e-5
x_mean = np.mean(x, axis=(1, 2, 3), keepdims=True)
x_var = np.var(x, axis=(1, 2, 3), keepdims=True0)
x_normalized = (x - x_mean) / np.sqrt(x_var + eps)
results = gamma * x_normalized + beta
return results
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4、Instance Normalization
BN注重对每个batch进行归一化，保证数据分布一致，因为判别模型中结果取决于数据整体分布。
但是图像风格化中，生成结果主要依赖于某个图像实例，所以对整个batch归一化不适合图像风格化中，因而对HW做归一化。可以加速模型收敛，并且保持每个图像实例之间的独立。
公式：
代码：
def Instancenorm(x, gamma, beta):
# x_shape:[B, C, H, W]
results = 0.
eps = 1e-5
x_mean = np.mean(x, axis=(2, 3), keepdims=True)
x_var = np.var(x, axis=(2, 3), keepdims=True0)
x_normalized = (x - x_mean) / np.sqrt(x_var + eps)
results = gamma * x_normalized + beta
return results
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5、Group Normalization
主要是针对Batch Normalization对小batchsize效果差，GN将channel方向分group，然后每个group内做归一化，算(C//G)*H*W的均值，这样与batchsize无关，不受其约束。
公式：
伪代码：
代码：
def GroupNorm(x, gamma, beta, G=16):
# x_shape:[B, C, H, W]
results = 0.
eps = 1e-5
x = np.reshape(x, (x.shape[0], G, x.shape[1]/16, x.shape[2], x.shape[3]))
x_mean = np.mean(x, axis=(2, 3, 4), keepdims=True)
x_var = np.var(x, axis=(2, 3, 4), keepdims=True0)
x_normalized = (x - x_mean) / np.sqrt(x_var + eps)
results = gamma * x_normalized + beta
return results
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6、Switchable Normalization
本篇论文作者认为，
第一，归一化虽然提高模型泛化能力，然而归一化层的操作是人工设计的。在实际应用中，解决不同的问题原则上需要设计不同的归一化操作，并没有一个通用的归一化方法能够解决所有应用问题；
第二，一个深度神经网络往往包含几十个归一化层，通常这些归一化层都使用同样的归一化操作，因为手工为每一个归一化层设计操作需要进行大量的实验。
因此作者提出自适配归一化方法——Switchable Normalization（SN）来解决上述问题。与强化学习不同，SN使用可微分学习，为一个深度网络中的每一个归一化层确定合适的归一化操作。
公式：
代码：
def SwitchableNorm(x, gamma, beta, w_mean, w_var):
# x_shape:[B, C, H, W]
results = 0.
eps = 1e-5
mean_in = np.mean(x, axis=(2, 3), keepdims=True)
var_in = np.var(x, axis=(2, 3), keepdims=True)
mean_ln = np.mean(x, axis=(1, 2, 3), keepdims=True)
var_ln = np.var(x, axis=(1, 2, 3), keepdims=True)
mean_bn = np.mean(x, axis=(0, 2, 3), keepdims=True)
var_bn = np.var(x, axis=(0, 2, 3), keepdims=True)
mean = w_mean[0] * mean_in + w_mean[1] * mean_ln + w_mean[2] * mean_bn
var = w_var[0] * var_in + w_var[1] * var_ln + w_var[2] * var_bn
x_normalized = (x - mean) / np.sqrt(var + eps)
results = gamma * x_normalized + beta
return results
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结果比较：
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作者：夏洛的网
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/liuxiao214/article/details/81037416
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