深度学习批归一化及其相关算法研究进展

摘要: 深度学习已经广泛应用到各个领域, 如计算机视觉和自然语言处理等, 并都取得了明显优于早期机器学习算法的效果. 在信息技术飞速发展的今天, 训练数据逐渐趋于大数据集, 深度神经网络不断趋于大型化, 导致训练越来越困难, 速度和精度都有待提升. 2013年, Ioffe等指出训练深度神经网络过程中存在一个严重问题: 中间协变量迁移(Internal covariate shift), 使网络训练过程对参数初值敏感、收敛速度变慢, 并提出了批归一化(Batch normalization, BN)方法, 以减少中间协变量迁移问题, 加快神经网络训练过程收敛速度. 目前很多网络都将BN作为一种加速网络训练的重要手段, 鉴于BN的应用价值, 本文系统综述了BN及其相关算法的研究进展. 首先对BN的原理进行了详细分析. BN虽然简单实用, 但也存在一些问题, 如依赖于小批量数据集的大小、训练和推理过程对数据处理方式不同等, 于是很多学者相继提出了BN的各种相关结构与算法, 本文对这些结构和算法的原理、优势和可以解决的主要问题进行了分析与归纳. 然后对BN在各个神经网络领域的应用方法进行了概括总结, 并且对其他常用于提升神经网络训练性能的手段进行了归纳. 最后进行了总结, 并对BN的未来研究方向进行了展望.