1.分類

BN是在batch上，對N、H、W做歸一化，而保留通道 C 的維度。BN對較小的batch size效果不好。BN適用于固定深度的前向神經網絡，如CNN，不適用于RNN；

LN在通道方向上，對C、H、W歸一化，主要對RNN效果明顯；

IN在圖像像素上，對H、W做歸一化，用在風格化遷移；

GN將channel分組，然后再做歸一化。

2.BN

為什么要進行BN呢？
1）在深度神經網絡訓練的過程中，通常以輸入網絡的每一個mini-batch進行訓練，這樣每個batch具有不同的分布，使模型訓練起來特別困難。
（2）Internal Covariate Shift (ICS) 問題：在訓練的過程中，激活函數會改變各層數據的分布，隨著網絡的加深，這種改變（差異）會越來越大，使模型訓練起來特別困難，收斂速度很慢，會出現梯度消失的問題。
BN的主要思想：針對每個神經元，使數據在進入激活函數之前，沿著通道計算每個batch的均值、方差，‘強迫’數據保持均值為0，方差為1的正態分布，避免發生梯度消失。具體來說，就是把第1個樣本的第1個通道，加上第2個樣本第1個通道 … 加上第 N 個樣本第1個通道，求平均，得到通道 1 的均值（注意是除以 N×H×W 而不是單純除以 N，最后得到的是一個代表這個 batch 第1個通道平均值的數字，而不是一個 H×W 的矩陣）。求通道 1 的方差也是同理。對所有通道都施加一遍這個操作，就得到了所有通道的均值和方差。
BN的使用位置：全連接層或卷積操作之后，激活函數之前。

BN算法過程：
沿著通道計算每個batch的均值μ
沿著通道計算每個batch的方差σ2
做歸一化
加入縮放和平移變量 γ 和 β

其中 ε 是一個很小的正值1e-8，比如 。加入縮放和平移變量的原因是：保證每一次數據經過歸一化后還保留原有學習來的特征，同時又能完成歸一化操作，加速訓練。 這兩個參數是用來學習的參數。
BN的作用：
（1）允許較大的學習率；

（2）減弱對初始化的強依賴性

（3）保持隱藏層中數值的均值、方差不變，讓數值更穩定，為后面網絡提供堅實的基礎；

（4）有輕微的正則化作用（相當于給隱藏層加入噪聲，類似Dropout）

BN存在的問題：
（1）每次是在一個batch上計算均值、方差，如果batch size太小，則計算的均值、方差不足以代表整個數據分布。

（2）batch size太大：會超過內存容量；需要跑更多的epoch，導致總訓練時間變長；會直接固定梯度下降的方向，導致很難更新。

3.LN

針對BN不適用于深度不固定的網絡（sequence長度不一致，如RNN），LN對深度網絡的某一層的所有神經元的輸入按以下公式進行normalization操作。

LN中同層神經元的輸入擁有相同的均值和方差，不同的輸入樣本有不同的均值和方差。
對于特征圖在這里插入圖片描述 ，LN 對每個樣本的 C、H、W 維度上的數據求均值和標準差，保留 N 維度。其均值和標準差公式為：

Layer Normalization (LN) 的一個優勢是不需要批訓練，在單條數據內部就能歸一化。LN不依賴于batch size和輸入sequence的長度，因此可以用于batch size為1和RNN中。LN用于RNN效果比較明顯，但是在CNN上，效果不如BN。

4.Instance Normalization, IN

IN針對圖像像素做normalization，最初用于圖像的風格化遷移。在圖像風格化中，生成結果主要依賴于某個圖像實例，feature map 的各個 channel 的均值和方差會影響到最終生成圖像的風格。所以對整個batch歸一化不適合圖像風格化中，因而對H、W做歸一化。可以加速模型收斂，并且保持每個圖像實例之間的獨立。

對于，IN 對每個樣本的 H、W 維度的數據求均值和標準差，保留 N 、C 維度，也就是說，它只在 channel 內部求均值和標準差，其公式如下：

總結

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