Group Normalization(グループ正規化)を理解する

AI・機械学習

さて前回はInstance Normalization(インスタンス正規化)を見ていきましたが、今回は2018年に提案され画像認識などの分野で非常によく使われているGroup Normalizationを見ていきたいと思います。

手法自体は非常にシンプルですが、今回もまた背景や考え方を中心に解説していきたいと思います。

原論文はこちらです。

『Group Normalization』

ではさっそく見ていきましょう。

Twitterで新規記事などについて発信し始めたのでフォローしていただけると励みになります!!↓
フォローする

Group Normalizationの背景

Deep Learningの学習を効率化し、この分野の発展に大きく寄与したBatch Normalization(バッチ正規化)です。

Batch Normalizationは、各レイヤへの入力をミニバッチ中の平均・分散を計算して正規化することで学習を効率化させるというものです。

(Batch Normalizationがよくわからないという方は、以下の記事で詳しく解説していますのでご参照ください)

非常に多くのモデルで利用されてきたBatch Normalizationですが、いくつか欠点も浮かび上がってきました。

その中のもっとも大きな一つは“バッチ数が小さいと平均・分散の推定が不安定になり、学習が非効率になってしまう”という点です。

特に最近の潮流として、巨大なモデルで巨大なデータセットを学習し精度を高めるというものがありますが、モデルが大きくなるせいで学習時にたくさんのサンプルをメモリに割り当てられずバッチ数を小さくして対応することが多くなっています。

今までのようにバッチ数を64や128というのはなかなか設定しにくく、8や4ということも多いです。

そのような場合、Batch Normalizationだと学習が不安定もしくは非効率になる傾向があるので、Group Normalizationではそれを改善しようというものです。

実際に以下の図を見ると、青線のBatch Normalizationはバッチ数が小さくなるのに従って誤差率が大きくなっていますが、Group Normalizationはバッチ数に依存せず低い誤差率を保っています

では、どうやってこの問題を解決しているかを次から見ていきましょう。

Group Normalization詳細

既存の正規化手法およびGroup Normalizationの計算方法について、以下の図に沿って説明したいと思います。

青く塗られているセルが平均・分散を計算する集合を表しています。

まず、Batch Normalizationを見てみると、各チャネル\(C\)について、バッチ中のサンプル\(N\)、高さ\(H\)、幅\(W\)の平均・分散を計算して正規化しています。

したがって、バッチ中のサンプル\(N\)の数によって学習効率が違ってきてきます。

Batch Normalizationからの発展

上記の問題を克服するには、単純にバッチ中の複数のサンプルを使うのではなく、1つのサンプルだけを使って平均・分散を計算するという方法が考えられます。

Group Normalizationはその考え方ですが、実は既に同様の考え方でLayer NormalizationInstance Normalizationという手法が提案されています。

Layer NormalizationはもともとRNNやなどの時系列モデルで提案されたもので、Instance Normalizationは画像のStyle Transfer(スタイル変換)のモデルで提案されたものです。

Layer Normalization

Layer Normalizationは画像サンプルでいうと、各サンプルについて、高さ\(W\)、幅\(H\)、チャネル\(C\)の1つの平均・分散を計算します。

以下の図がLayer Normalizationの考え方です。

サンプル\(N\)の方向には一つしか使われておらず、高さ\(W\)、幅\(H\)、チャネル\(C\)はすべて使われていることがわかります。

Instance Normalization

Instance Normalizationは各サンプル・チャネルごとに高さ\(W\)、幅\(H\)の1つの平均・分散を計算します。

以下の図がInstance Normalizationの考え方です。

サンプル\(N\)の方向、チャネル\(C\)の方向については一つしか使われておらず、高さ\(W\)、幅\(H\)についてはすべて使っています。

正規化方法

最後に、計算した平均(\(\mu_i\))・分散(\(\sigma^2_i\))でレイヤへのインプットを正規化する点はすべて同じです。

$$\hat{{\bf{x}}}_i = \frac{{\bf{x}}_i – \mu_i}{\sqrt{\sigma^2_i}+\epsilon}$$

\(\epsilon\)はゼロ割りが発生しないように制御するための微少知です。

そして、\({\bf{y}}_i\)を学習パラメータ\(\gamma_i\)、\(\beta_i\)を使って、平均とスケールをずらします。

$${\bf{y}}_i = \gamma_i \hat{{\bf{x}}}_i + \beta_i$$

この意味や詳細についてはBatch Normalizationの記事で解説していますので、必要に応じてご参照ください。

『Batch Normalizationを理解する』

以上の2つの正規化方法はサンプルごとに違う平均・分散を使うのでバッチの取り方に影響は受けません。

Group Normalization

では、本題のGroup Normalizationです。

Group NormalizationはLayer NormazliationとInstance Normalizationの間のような仕組みです。

以下の図のように、チャネルを\(G\)個の複数のグループに分けて、サンプル、グループごとに1つの平均・分散を計算します

こちらの図では、チャネルを2つのグループに、つまり3つのチャネルを一つのグループとして扱っています。

グループ数を1つにした場合はLayer Normalizationに、グループ数をチャネル数と同じにした場合はInstance Normalizationになります。

結果としてGroup Normalizationの方がLayer Normalization、Instance Normalizationよりも効率的に学習できることになっていますが、その理由を考えてみましょう。

考えられるのは、Layer Normalizationは大域的に全体の平均を取っているので、”各チャネルの特徴を捉えることができない”というものです。

一方で、Instance Normalizationでは、チャネルごとに平均・分散を計算するのでチャネルごとの特徴は捉えられます。

しかしながら、チャネルごとの平均なので“チャネル間の依存関係を捉えられていない”可能性が考えられます。

この中間のGroup Normalizationでは、“グループの特徴を捉え、かつグループ内の依存関係を捉える”ことができると言えます。

実際にグループに分けることの効果はあとで実験結果を見ていきたいと思います。

定式化

では、ここからBatch Normalization、Layer Normalization、Instance Normalization、Group Normalizationを一般化して定式化していきたいと思います。

\(i\)はサンプル\(N\)、チャネル\(C\)、高さ\(H\)、幅\(W\)に対するインデックス\(i_N\)、\(i_C\)、\(i_H\)、\(i_W\)を表すとします。

\begin{align}
\hat{{\bf{x}}}_i=\frac{1}{\sigma_i}({\bf{x}}_i – \mu_i)
\end{align}

平均・分散(標準偏差)は以下の式で求めます。

\begin{align}
\mu_i &= \frac{1}{m}\sum_{k\in \mathcal{S}_i} {\bf{x_k}}, \\
\sigma_i &= \sqrt{\frac{1}{m}\sum_{k\in \mathcal{S}_i}({\bf{x}}_k-\mu_i)^2+\epsilon}
\end{align}

ここで、\(\mathcal{S}_i\)はそれぞれの手法の平均・分散を計算するためのピクセル値の集合を表し、この集合がそれぞれの手法によって異なってきます。

\(m\)はその集合の要素数です。

では各手法を見ていきましょう。

Batch Normalization

まず、Batch Normalizationは以下で表されます。

$$\mathcal{S}_i=\{k|k_C=i_C\}$$

集合\(\mathcal{S}_i\)はチャネルが\(i_C\)のピクセル値すべてになります。

つまり、同じチャネル位置の値を集めたものが平均・分散を計算する集合になります。

逆にいうと、同じチャネルのバッチ中のすべてのサンプル\(N\)、すべての高さ\(H\)、すべての幅\(W\)がすべて使われます。

(日本語が少しおかしい&わかりにくいかもしれませんが、感覚的に説明していますのでご容赦ください…)

Layer Normalization

Layer Normalizationの場合は以下です。

$$\mathcal{S}_i=\{k|k_N=i_N\}$$

そのサンプルの平均・分散の計算は、そのサンプルのみを使います。

つまり、各サンプルで一つの平均・分散が決まり、高さ、幅、チャネルのすべてのピクセル値を使って計算されます。

Instance Normalization

Instance Normalizationの場合は以下になります。

$$\mathcal{S}_i=\{k|k_N=i_N, k_C=i_C\}$$

\(i_N\)、\(i_C\)を指定しているので、Batch NormalizationとLayer Normalizationの両方の軸を設定していることになります。

ですので、この3つの中では一番局所的で、各サンプル、各チャネルごとに、高さ、幅のピクセル値を使って平均・分散を計算します。

Group Normalization

最後にGroup Normalizationでは、次のように表されます。

$$\mathcal{S}_i=\left\{k| k_N=i_N, \lfloor \frac{k_C}{C/G}\rfloor =\lfloor \frac{i_C}{C/G}\rfloor \right\}$$

いきなりややこしくなりましたが、\(\lfloor \cdot\rfloor\)は整数部分を表します。

簡単にいうと、チャネルを\(G\)個のグループに分割し、\(i\)と同じサンプル、かつ同じグループに入る場所のピクセル値で平均・分散を計算するということです。

実験

ここでの実験では、ImageNetのデータを使って精度等を見ていきます。

モデルの設定はResNetの論文の通りです。

バッチ数は基本的に32を使っています。

詳細については論文をご参照ください。

正規化手法による比較

では、まずBatch Normalization、Layer Normalization、Instance Normalization、Group Normalizationを使った場合の誤差率の比較です。

以下の図は、バッチ数を32として、各手法を適用した場合におけるエポック数と誤差率のグラフす。左側が学習データ、右側が検証データの結果になります。

学習データではGroup Normalizationが、検証データではBatch Normalizationが良くなっておりこの2つが学習データ、検証データともにLayer Normalization、Instance Normalizationと比べても良くなっています

以下の表でもわかる通り、検証データではBatch Normalizationが一番良くなっていますが、Group Normalziationはそれと遜色のない結果になっています。

Batch Normalizationとの比較

では次に、Group Normalizationの背景にあったバッチ数が少ない場合にどのようになるかを見てみます。

以下の図はバッチ数を変えた場合のBatch Normalization(左側)とGroup Normalization(右側)の誤差率の推移です。

予想通りBatch Normalizationはバッチ数が小さくなるほど誤差率が大きくなっていることがわかります。

一方で右側のGroup Normalizationについては、バッチ数に影響を受けないため、どのバッチ数でも同じレベルの誤差率となっています

以下の表でわかる通り、バッチ数が16以上であれば誤差率はBatch Normalizationの方が小さいですが、それ以下になるとGroup Normalizationの方が低くなっており、バッチ数が2になると差は非常に大きくなっています

最適なグループ数

では、最後にGroup Normalizationにおいて、グループ数および1グループあたりのチャネル数による誤差率の違いを見てみましょう。

以下の図の上段がグループ数に1から64を設定した場合で、下段は1グループあたりのチャネル数に1から64を設定した場合の結果です。

上段を見るとグループ数は32が一番誤差率が低くなっており、下段を見ると1グループあたり16チャネルの場合が一番誤差率が低くなっています

恐らくモデルやデータなどの条件により変わってくる可能性はありますが、Layer NormalizationとInstance Normalizationの間に最適な解がある可能性は高そうですね。

まとめ

今回は画像分野で非常によく使われているGroup Normalizationについて詳しく見てきました。

Batch Normalizationでは推論時に、バッチの取り方により推計結果が変わることを回避するために、学習時の平均・分散を使う(実際には移動平均を利用)をしていましたが、そういった工夫も不要になります。

他にも亜種が存在しますので、おいおいその辺りも取り上げられればと思っています。

では!

mm_0824

システム開発会社や銀行・証券会社で統計や金融工学を使ったクオンツ・分析業務を長く担当してきました。

現在はコンサルティング会社のデータ・サイエンティストとして機械学習、自然言語処理技術を使ったモデル構築・データ分析を担当しています。

このサイトでは論文や本、Udemyなどの学習ツールについての情報発信をしていきます。

皆様の業務や勉強のお役に立てれば嬉しいです。

Twitterでも新規記事についての発信をし始めたので是非フォローしていただけると嬉しいです!↓

フォローする
AI・機械学習 画像認識
フォローする
楽しみながら理解するAI・機械学習入門

コメント

タイトルとURLをコピーしました