DL-Paper精读：NF-ResNets

CHARACTERIZING SIGNAL PROPAGATION TO CLOSE THE PERFORMANCE GAP IN UNNORMALIZED RESNETS

https://arxiv.org/pdf/2101.08692.pdf

background

目前的CV领域，BatchNormalization几乎是所有SOTA工作中必备的操作。它确实带来了很多好处，例如：

平滑了Loss平面，同时消除了因mini_batch带来的噪声，整体来说就是提高了网络训练的速度和稳定性。
目前一些工作发现BN能够与ResNet结构有较好的协同作用，能够稳定良好的信号传输，保证了深层网络的成功训练
也有一些工作证明BN对于网络训练的过拟合问题其实也有一定的缓解作用。

limit

但是BN同样存在一些问题：

强依赖于batch_size的大小，对硬件要求较高
造成了模型training和inference阶段的精度gap（分别采用不同的参数）
增加额外的内存计算开销
不同硬件上进行分布式训练较难实现
一些改进工作（LN, GN等）也各有各的缺点，如计算消耗等
针对ResNet等，有一些通过控制残差结构与支路的信号传输来去除normalize操作的改进工作，但性能上相比于基于BN的网络来说还是有所欠缺。

novel points

目的很明确，干掉BN。但如何合理地去除，不造成精度损失？文中首先提出了一种信息传输监测的方法（SPP），分析了BN层对ResNet inference过程中信息分布的作用并进行可视化，然后构造BN-free的模块，并让其信息流分布与带BN的操作类似，这样就可以实现合理的BN移除。

methodology

1、 SPP（Signal Propagation Plots）

该部分对ResNet前向过程中的数据进行统计分析，对其数据分布进行可视化操作。如下图所示：

考察指标分为3个：

Average Channel Squared Mean，对每一个Res-block的输出计算NHW三维的均方根，再在C维求平均。一般来说希望该指标中，每一个channel的均值趋向于0越好。（趋近于0则维无偏分布，利于深层信息的传输）
Average Channel Variance, C维的方差。该指标是一个衡量信息（参数）强度的重要指标，可以很清晰地显示信息地衰减或爆炸。
Average Channel Variance on the end of the residual branch, 就是加skip path之前的输出的均方差，这有助于监测res-block分支内部的曾是否被合理的初始化。

利用这三个指标，可以观测到在初始化状态下，不同结构块下数据传输的分布变化情况。如图所示，给出了常规的BN-ReLU和ReLU-BN模式下数据分布的不同形式。能够看出一些很有意思的现象，例如在BN-ReLU的模式下，ACV指标在每个res的阶段线性上升，而在stage的结尾又重置为1。这是由于同一个stage内，由于BN的作用，每层的方差独立，因此随着block的堆叠，方差也就逐渐累计增大。对于ACSM也是类似的。

2、 NF-ResNets(Normalizer-free)

NF模块的设计，核心就在于利用SPPs,设计一个模块，约束其信息传输模式与基于BN的模块类似。首先需要由上一节给出两个结论：

First, for standard initializations, BatchNorm downscales the input to each residual block by a factor proportional to the standard deviation of the input signal. Second, each residual block increases the variance of the signal by an approximately constant factor.

换句话说，BN对于数据分布的约束，主要体现在对输入信号的均值方差的标准化。因此，只需要加入比例因子对数据进行约束，就可以得到类似的数据分布模式。文中提出使用 $x_(l+1)= x_l+ α\cdot f_l (x_l ⁄ β_l )$ $x_{l+1} = x_{l} + \alpha f_{l}(x_{l}/\beta _{l})$

来模拟BN的数据约束。α和β的参数计算需要参照具体的模式来进行赋值，使得方差与BN下的方差相符合。该形式就被称为NF-ResNets模块。

3、 Scaled WS

直接使用NF-ResNet模块训练并不稳定，并且当层数增加时更加难以训练。失败案例如4.1节的NF-ResNets + He-initialization的失败。为减少其中的mean shift问题，文中加入Scaled SW(weight standardization)来进一步进行数据模式的矫正。公式如下

本质上真就是一个scaled SW（。。。）它能够消除batch维度元素的相关性，并且在train和inference阶段没有什么偏差。

此外，文中还涉及到了增益参数γ如何确定等问题。

实现代码：

https://github.com/rwightman/pytorch-image-models/blob/master/timm/models/nfnet.py

evaluation(benchmark, experiments design)

结果无需多言，大厂牛逼就完了。。。

Thoughts:

Describe what the authors of the paper aim to accomplish, or perhaps did achieve.

通过监测数据流的分布模式，来有目标性地设计结构取代BN层，是一种可行地方式，所设计地NF-Res模块 + Scaled SW操作，本质上也是对数据的归一化。

If a new approach/ technique/ method was introduced in a paper, what are the key elements of the newly proposed approach?

细致的数据可视化分析，简单可行的标准化方式替换

What content within the paper is useful to you?

BN的出现，在早期为模型训练带来了非常大的益处。但随着DL的发展，必将会被逐步地取代，就想Detection中的anchor, NMS等一样。该文章基于数据分析的研究方法，是可靠而可行的。

Which parts are not perfect, or need to be improved or researched further?

该工作是针对ResNet及类似结构的改进，但对于VGG等传统结构是否会有相同的效果？
额外引入的超参，不利于该方法的广泛推广。若要真正取代BN，可能还需进一步探索更加灵活，更加鲁棒的方法

What other references do you want to follow?

DL-Paper精读：NF-ResNets

猜你喜欢