pytorch 圖像中的數據預處理和批標準化實例

更新時間：2020年01月15日 14:46:24 作者：xckkcxxck

今天小編就為大家分享一篇pytorch 圖像中的數據預處理和批標準化實例，具有很好的參考價值，希望對大家有所幫助。一起跟隨小編過來看看吧

目前數據預處理最常見的方法就是中心化和標準化。

中心化相當于修正數據的中心位置，實現方法非常簡單，就是在每個特征維度上減去對應的均值，最后得到 0 均值的特征。

標準化也非常簡單，在數據變成 0 均值之后，為了使得不同的特征維度有著相同的規(guī)模，可以除以標準差近似為一個標準正態(tài)分布，也可以依據最大值和最小值將其轉化為 -1 ~ 1 之間

批標準化：BN

在數據預處理的時候，我們盡量輸入特征不相關且滿足一個標準的正態(tài)分布，這樣模型的表現一般也較好。但是對于很深的網路結構，網路的非線性層會使得輸出的結果變得相關，且不再滿足一個標準的 N(0, 1) 的分布，甚至輸出的中心已經發(fā)生了偏移，這對于模型的訓練，特別是深層的模型訓練非常的困難。

所以在 2015 年一篇論文提出了這個方法，批標準化，簡而言之，就是對于每一層網絡的輸出，對其做一個歸一化，使其服從標準的正態(tài)分布，這樣后一層網絡的輸入也是一個標準的正態(tài)分布，所以能夠比較好的進行訓練，加快收斂速度。

batch normalization 的實現非常簡單，接下來寫一下對應的python代碼：

import sys
sys.path.append('..')
 
import torch
 
def simple_batch_norm_1d(x, gamma, beta):
  eps = 1e-5
  x_mean = torch.mean(x, dim=0, keepdim=True) # 保留維度進行 broadcast
  x_var = torch.mean((x - x_mean) ** 2, dim=0, keepdim=True)
  x_hat = (x - x_mean) / torch.sqrt(x_var + eps)
  return gamma.view_as(x_mean) * x_hat + beta.view_as(x_mean)
   
x = torch.arange(15).view(5, 3)
gamma = torch.ones(x.shape[1])
beta = torch.zeros(x.shape[1])
print('before bn: ')
print(x)
y = simple_batch_norm_1d(x, gamma, beta)
print('after bn: ')
print(y)

測試的時候該使用批標準化嗎？

答案是肯定的，因為訓練的時候使用了，而測試的時候不使用肯定會導致結果出現偏差，但是測試的時候如果只有一個數據集，那么均值不就是這個值，方差為 0 嗎？這顯然是隨機的，所以測試的時候不能用測試的數據集去算均值和方差，而是用訓練的時候算出的移動平均均值和方差去代替

下面我們實現以下能夠區(qū)分訓練狀態(tài)和測試狀態(tài)的批標準化方法

def batch_norm_1d(x, gamma, beta, is_training, moving_mean, moving_var, moving_momentum=0.1):
  eps = 1e-5
  x_mean = torch.mean(x, dim=0, keepdim=True) # 保留維度進行 broadcast
  x_var = torch.mean((x - x_mean) ** 2, dim=0, keepdim=True)
  if is_training:
    x_hat = (x - x_mean) / torch.sqrt(x_var + eps)
    moving_mean[:] = moving_momentum * moving_mean + (1. - moving_momentum) * x_mean
    moving_var[:] = moving_momentum * moving_var + (1. - moving_momentum) * x_var
  else:
    x_hat = (x - moving_mean) / torch.sqrt(moving_var + eps)
  return gamma.view_as(x_mean) * x_hat + beta.view_as(x_mean)

下面我們在卷積網絡下試用一下批標準化看看效果

def data_tf(x):
  x = np.array(x, dtype='float32') / 255
  x = (x - 0.5) / 0.5 # 數據預處理，標準化
  x = torch.from_numpy(x)
  x = x.unsqueeze(0)
  return x
 
train_set = mnist.MNIST('./data', train=True, transform=data_tf, download=True) # 重新載入數據集，申明定義的數據變換
test_set = mnist.MNIST('./data', train=False, transform=data_tf, download=True)
train_data = DataLoader(train_set, batch_size=64, shuffle=True)
test_data = DataLoader(test_set, batch_size=128, shuffle=False)
# 使用批標準化
class conv_bn_net(nn.Module):
  def __init__(self):
    super(conv_bn_net, self).__init__()
    self.stage1 = nn.Sequential(
      nn.Conv2d(1, 6, 3, padding=1),
      nn.BatchNorm2d(6),
      nn.ReLU(True),
      nn.MaxPool2d(2, 2),
      nn.Conv2d(6, 16, 5),
      nn.BatchNorm2d(16),
      nn.ReLU(True),
      nn.MaxPool2d(2, 2)
    )
    
    self.classfy = nn.Linear(400, 10)
  def forward(self, x):
    x = self.stage1(x)
    x = x.view(x.shape[0], -1)
    x = self.classfy(x)
    return x
 
net = conv_bn_net()
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), 1e-1) # 使用隨機梯度下降，學習率 0.1
 
 
train(net, train_data, test_data, 5, optimizer, criterion)

以上這篇pytorch 圖像中的數據預處理和批標準化實例就是小編分享給大家的全部內容了，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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