【小白學PyTorch】21 Keras的API詳解（下）池化、Normalization層

忽逢桃林發表於2020-10-15
PyTorchKerasAPIORM

文章來自微信公眾號：【機器學習煉丹術】。作者WX：cyx645016617.
參考目錄：

目錄

下篇的內容中，主要講解這些內容：

  • 四個的池化層；
  • 兩個Normalization層;

1 池化層

和卷積層相對應，每一種池化層都有1D,2D,3D三種型別，這裡主要介紹2D處理影像的一個操作。1D和3D可以合理的類推。

1.1 最大池化層

tf.keras.layers.MaxPooling2D(
    pool_size=(2, 2), strides=None, padding="valid", data_format=None, **kwargs
)

這個strides在預設的情況下就是步長為2 下面看個例子：

import tensorflow as tf
x = tf.random.normal((4,28,28,3))
y = tf.keras.layers.MaxPooling2D(
    pool_size=(2,2))
print(y(x).shape)
>>> (4, 14, 14, 3)

如果你把strides改成1：

import tensorflow as tf
x = tf.random.normal((4,28,28,3))
y = tf.keras.layers.MaxPooling2D(
    pool_size=(2,2),
    strides = 1)
print(y(x).shape)
>>> (4, 27, 27, 3)

如果再把padding改成‘same’:

import tensorflow as tf
x = tf.random.normal((4,28,28,3))
y = tf.keras.layers.MaxPooling2D(
    pool_size=(2,2),
    strides = 1,
    padding='same')
print(y(x).shape)
>>> (4, 28, 28, 3)

這個padding預設是'valid'，一般strides為2，padding是valid就行了。

1.2 平均池化層

和上面的最大池化層同理，這裡就展示一個API就不再多說了。

tf.keras.layers.AveragePooling2D(
    pool_size=(2, 2), strides=None, padding="valid", data_format=None, **kwargs
)

1.3 全域性最大池化層

tf.keras.layers.GlobalMaxPooling2D(data_format=None, **kwargs)

這個其實相當於pool_size等於特徵圖尺寸的一個最大池化層。看一個例子：

import tensorflow as tf
x = tf.random.normal((4,28,28,3))
y = tf.keras.layers.GlobalMaxPooling2D()
print(y(x).shape)
>>> (4, 3)

可以看到，一個通道只會輸出一個值，因為我們的輸入特徵圖的尺寸是\(28\times 28\)，所以這裡的全域性最大池化層等價於pool_size=28的最大池化層。

1.4 全域性平均池化層

與上面的全域性最大池化層等價。

tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D(data_format=None, **kwargs)

2 Normalization

Keras官方只提供了兩種Normalization的方法，一個是BatchNormalization，一個是LayerNormalization。雖然沒有提供InstanceNormalization和GroupNormalization的方法，我們可以通過修改BN層的引數來構建。

2.1 BN

tf.keras.layers.BatchNormalization(
    axis=-1,
    momentum=0.99,
    epsilon=0.001,
    center=True,
    scale=True,
    beta_initializer="zeros",
    gamma_initializer="ones",
    moving_mean_initializer="zeros",
    moving_variance_initializer="ones",
    beta_regularizer=None,
    gamma_regularizer=None,
    beta_constraint=None,
    gamma_constraint=None,
    renorm=False,
    renorm_clipping=None,
    renorm_momentum=0.99,
    fused=None,
    trainable=True,
    virtual_batch_size=None,
    adjustment=None,
    name=None,
    **kwargs
)

我們來詳細講解一下引數：

  • axis：整數。表示哪一個維度是通道數維度，預設是-1，表示是最後一個維度。如果之前設定了channels_first,那麼需要設定axis=1.
  • momentum：當training過程中，Batch的均值方差會根據batch計算出來，在預測或者驗證的時候，這個均值方差是採用training過程中計算出來的滑動均值和滑動方差的。具體的計算過程是：
  • epsilon:一個防止運算除法除以0的一個極小數，一般不做修改；
  • center：True的話，則會有一個可訓練引數beta，也就是beta均值的這個offset；如果是False的話，這個BN層則退化成以0為均值，gamma為標準差的Normalization。預設是True，一般不做修改。
  • scale：與center類似，預設是True。如果是False的話，則不使用gamma引數，BN層退化成以beta為均值，1為標準差的Normalization層。
  • 其他都是初始化的方法和正則化的方法，一般不加以限制，使用的方法在上節課也已經講解了，在此不加贅述。

這裡需要注意的一點是，keras的API中並沒有像PyTorch的API中的這個引數group，這樣的話，就無法衍生成GN和InstanceN層了，在之後的內容，會在Tensorflow_Addons庫中介紹

2.2 LN

tf.keras.layers.LayerNormalization(
    axis=-1,
    epsilon=0.001,
    center=True,
    scale=True,
    beta_initializer="zeros",
    gamma_initializer="ones",
    beta_regularizer=None,
    gamma_regularizer=None,
    beta_constraint=None,
    gamma_constraint=None,
    trainable=True,
    name=None,
    **kwargs
)

引數和BN的引數基本一致。直接看一個例子：

import tensorflow as tf
import numpy as np
x = tf.constant(np.arange(10).reshape(5,2)*10,
                dtype=tf.float32)
print(x)
y = tf.keras.layers.LayerNormalization(axis=1)
print(y(x))

執行結果為：

tf.Tensor(
[[ 0. 10.]
 [20. 30.]
 [40. 50.]
 [60. 70.]
 [80. 90.]], shape=(5, 2), dtype=float32)
tf.Tensor(
[[-0.99998  0.99998]
 [-0.99998  0.99998]
 [-0.99998  0.99998]
 [-0.99998  0.99998]
 [-0.99998  0.99998]], shape=(5, 2), dtype=float32)

我在之前的文章中已經介紹過了LN，BN，GN，IN這幾個歸一化層的詳細原理，不瞭解的可以看本文最後的相關連結中找一找。

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