【DL-CV】数据预处理&权重初始化

【DL-CV】卷积神经网路<前篇---后篇>【DL-CV】批量归一化（BN算法）

数据预处理

在网络训练时，我们通常会对原始数据进行预处理再喂给网络进行训练，而不是直接把原始数据喂给网络。这样能减少训练时问题的发生，提高网络模型的性能。现在我们有原始数据 X，其尺寸是 NxD（N是数据样本数量，D是数据的维度）

均值减法

均值减法（Mean subtraction）是预处理最常用的形式，将数据的每一维特征都减去平均值即可，在numpy的实现是X -= np.mean(X, axis=0)，它能使数据零中心化。

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另外还有一些类似的方法对图像数据预处理来说也很可能用到：

• 直接减去整个数据的均值，X -= np.mean(X)，对于图像，可以移除图像的平均亮度值，因为很多情况下我们对图像亮度并不感兴趣，而是关注其内容，所以将图像整体减去像素均值是有意义的
• 减去每个颜色通道上的均值

归一化

归一化（Normalization）也是一种预处理的方法，他将数据的所有维度都归一化，使其数值范围都近似相等。先对数据做零中心化处理，然后每个维度都除以其标准差

x = x - np.mean(x, axis=0)
x = x / np.std(x, axis=0)

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除此之外，预处理方法还有PCA和白化，但在图像处理这一块他们用得并不是很多，这里就不讲了，有兴趣自查。在图像识别领域，更常用的是零中心化和归一化，特别是零中心化
零中心化在使用时，先将样本数据分成训练/验证/测试集，从训练集中求得平均值，然后将各个集（训练/验证/测试集）中的数据再减去这个均值。

权重初始化

首先，全零初始化想想都知道肯定是错的。

然后，小随机数初始化如W = 0.01 * np.random.randn(D,H)是可以的（randn函数是基于零均值和标准差的一个高斯分布），不过不是越小越好，权重初始化的太小的话计算出来的激活值会很小，在反向传播中就会得到很小的梯度，后果你知道的。

但是，还不是最好的，小随机数初始化有一个问题就是随着输入数据量的增长，随机初始神经元输出数据的方差也增大，这样网络一深问题就大了。解决方法是：除以输入数据量的平方根来调整数值范围，使神经元输出的方差归一化为1，也就是W = np.random.randn(in, out) / sqrt(in) ，其中in是输入数据的数量（若W尺寸 DxH ，则in=D，out=H）。这种更厉害的方法叫做 Xavier初始化，他保证了网络中所有神经元起始时有近似同样的输出分布。实践经验证明，这样做可以提高收敛的速度。

《Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification》论文指出，使用relu激活函数的网络，由于一半的激活值变成了0，相当于一半的输入数据量是对方差无贡献的，为保持输入输出的方差维持不变，初始化方法也作了相应改变（根号中的数据量除以二）： W = np.random.randn(in, out) / sqrt(in/2) ，这是针对使用relu的初始化方法。

至于偏置值，通常初始化为0

总结

针对图像识别领域，通常来说

• 数据预处理使用零中心化
• 权重初始化使用Xavier；如网络使用relu，使用W = np.random.randn(in, out) / sqrt(in/2)
• 偏置值初始化为0