机器之心报道

　　机器之心编辑部

优化技术何其多也！比如批归一化、权重标准化……但现有的优化方法大多基于激活或权重执行，最近阿里达摩院的研究者另辟蹊径，直接对梯度下手，提出全新的梯度中心化方法。只需一行代码即可嵌入现有的 DNN 优化器中，还可以直接对预训练模型进行微调。

　　优化技术对于深度神经网络 (DNN) 的高效训练至关重要。以往的研究表明，使用一阶和二阶统计量（如平均值和方差）在网络激活或权重向量上执行 Z-score 标准化（如批归一化 BN 和权重标准化 WS）可以提升训练性能。

　　已有方法大多基于激活或权重执行，最近阿里达摩院的研究人员另辟蹊径提出了一种新型优化技术——梯度中心化（gradient centralization，GC），该方法通过中心化梯度向量使其达到零均值，从而直接在梯度上执行。

　　我们可以把 GC 方法看做对权重空间和输出特征空间的正则化，从而提升 DNN 的泛化性能。此外，GC 还能提升损失函数和梯度的 Lipschitz 属性，从而使训练过程更加高效和稳定。

　　GC 的实现比较简单，只需一行代码即可将 GC 轻松嵌入到现有基于梯度的 DNN 优化器中。它还可以直接用于微调预训练 DNN。研究者在不同应用中进行了实验，包括通用图像分类和微调图像分类、检测与分割，结果表明 GC 可以持续提升 DNN 学习性能。

　　论文地址：https://arxiv.org/pdf/2004.01461.pdf

　　项目地址：https://github.com/Yonghongwei/Gradient-Centralization

　　不同于基于激活或权重向量运行的技术，该研究提出了一种基于权重向量梯度的简单而有效的 DNN 优化技术——梯度中心化（GC）。

　　如图 1(a) 所示，GC 只是通过中心化梯度向量使其达到零均值。只需要一行代码，即可将其轻松嵌入到当前基于梯度的优化算法（如 SGDM、Adam）。

　　尽管简单，但 GC 达到了多个期望效果，比如加速训练过程，提高泛化性能，以及对于微调预训练模型的兼容性。

　　图 1：(a) 使用 GC 的示意图。W 表示权重，L 表示损失函数，∇_WL 表示权重梯度，Φ_GC(∇_WL) 表示中心梯度。如图所示，用 Φ_GC(∇_WL) 替换 ∇_WL 来实现 GC 到现有网络优化器的嵌入，步骤很简单。(b) 全连接层（左）和卷积层（右）上梯度矩阵/权重张量的 GC 运算。GC 计算梯度矩阵/张量的每列/slice 的平均值，并将每列/slice 中心化为零均值。

　　研究贡献

　　该研究的主要贡献有：

　　提出了一种通用网络优化技术——梯度中心化（GC），GC 不仅能够平滑和加速 DNN 的训练过程，还可以提升模型的泛化性能。

　　分析了 GC 的理论性质，指出 GC 通过对权重向量引入新的约束来约束损失函数，该过程对权重空间和输出特征空间进行了正则化，从而提升了模型的泛化性能。此外，约束损失函数比原始损失函数具备更好的利普希茨属性，使得训练过程更加稳定高效。

　　梯度中心化

　　研究动机

　　研究者提出了这样的疑问：除了对激活和权重的处理外，是否能够直接对梯度进行处理，从而使训练过程更加高效稳定呢？一个直观的想法是，类似于 BN 和 WS 在激活与权重上的操作，使用 Z-score 标准化方法对梯度执行归一化。不幸的是，研究者发现单纯地归一化梯度并不能提高训练过程的稳定性。于是，研究者提出一种计算梯度向量均值并将梯度中心化为零均值的方法——梯度中心化。该方法具备较好的利普希茨属性，能够平滑 DNN 的训练过程并提升模型的泛化性能。

　　GC 公式

　　对于全连接层或卷积层，假设已经通过反向传播获得梯度，那么对于梯度为 ∇_w_i L (i = 1, 2, ..., N ) 的权重向量 w_i，GC 的公式如下所示：

　　其中

　　GC 的公式很简单。如图 1(b) 所示，只需要计算权重矩阵列向量的平均值，然后从每个列向量中移除平均值即可。

　　公式 1 的矩阵表述如下所示：

　　在实际实现中，我们可以从每个权重向量中直接移除平均值来完成 GC 操作。整个计算过程非常简单高效。

　　GC 嵌入到 SGDM/Adam 中，效果如何？

　　GC 可以轻松嵌入到当前的 DNN 优化算法中，如 SGDM 和 Adam。在得到中心化梯度 Φ_GC(∇_wL) 后，研究者直接使用它更新权重矩阵。算法 1 和算法 2 分别展示了将 GC 嵌入两大最流行优化算法 SGDM 和 Adam 的过程。此外，如要使用权重衰减，可以设置

　　，其中 λ 表示权重衰减因子。

　　将 GC 嵌入到大部分 DNN 优化算法仅需一行代码，就可以微小的额外计算成本执行 GC。例如，研究者使用 ResNet50 在 CIFAR100 数据集上进行了一个 epoch 的训练，训练时间仅增加了 0.6 秒（一个 epoch 耗时 71 秒）。

　　GC 的特性

　　提升泛化性能

　　我们可以把 GC 看作具备约束损失函数的投影梯度下降方法。约束损失函数及其梯度的利普希茨属性更优，从而使训练过程更加高效稳定。

　　之前的研究已经说明了投影梯度方法的特性，即投影权重梯度将限制超平面或黎曼流形的权重空间。类似地，我们也可以从投影梯度下降的角度看待 GC 的作用。下图 2 展示了使用 GC 方法的 SGD：

　　图 2：GC 方法的几何解释。梯度被投影在超平面 e^T (w − w^t) = 0 上，投影梯度被用于更新权重。

　　加速训练过程

　　优化图景平滑：之前的研究表明 BN 和 WS 可以平滑优化图景。尽管 BN 和 WS 在激活和权重上执行，但它们隐式地限制了权重梯度，从而使权重梯度在快速训练时更具预测性，也更加稳定。

　　类似的结论也适用于 GC 方法，研究者对比了原始损失函数 L(w) 和公式 4 中约束损失函数的利普希茨属性，以及函数梯度的利普希茨属性。

　　梯度爆炸抑制：GC 对于 DNN 训练的另一个好处是避免梯度爆炸，使训练更加稳定。这一属性类似于梯度剪裁。梯度太大会导致权重在训练过程中急剧变化，造成损失严重振荡且难以收敛。

　　为了研究 GC 对梯度剪裁的影响，研究者在图 4 中展示了，在使用和不使用 GC 方法时（在 CIFAR100 上训练得到的）ResNet50 第一个卷积层和全连接层的梯度矩阵最大值和 L2 范数。从图中我们可以看到，在训练过程中使用 GC 方法使得梯度矩阵的最大值和 L_2 范数有所降低。

　　图 4：梯度矩阵或张量的 L_2 范数（对数尺度）和最大值（对数尺度）随迭代次数的变化情况。此处使用在 CIFAR100 上训练得到的 ResNet50 作为 DNN 模型。左侧两幅图展示了在第一个卷积层上的结果，右侧两幅图展示了全连接层上的结果。红点表示不使用 GC 方法的训练结果，蓝点反之。

　　实验结果

　　下图 5 展示了四种组合的训练损失和测试准确率曲线。

　　与 BN 相比，BN+GC 的训练损失下降得更快，同时测试准确率上升得也更快。对于 BN 和 BN+WS 而言，GC 能够进一步加快它们的训练速度。此外，我们可以看到，BN+GC 实现了最高的测试准确度，由此验证了 GC 能够同时加速训练过程并增强泛化性能。

　　图 5：在 Mini-ImageNet 数据集上，训练损失（左）和测试准确率（右）曲线随训练 epoch 的变化情况。ResNet50 被用作 DNN 模型。进行对比的优化方法包括 BN、BN+GC、BN+WS 和 BN+WS+GC。

　　下表 3 展示了不同权重衰减设置下的测试准确率变化，包括 0、1e^-4、2e^-4、5e^-4 和 1e^-3。优化器是学习率为 0.1 的 SGDM。从表中可以看到，权重衰减的性能通过 GC 实现了持续改善。

　　表 3：在不同权重衰减设置下，使用 ResNet50 在 CIFAR100 数据集上的测试准确率。

　　下表 4 展示了 SGDM 和 Adam 在不同学习率下的测试准确率变化。

　　表 4：使用 ResNet50，不同学习率的 SGDM 和 Adam 在 CIFAR100 数据集上的测试准确率。

　　下图 6 展示了 ResNet50 的训练和验证误差曲线（GN 被用于特征归一化）。我们可以看到，借助于 GN，GC 可以大大加速训练过程。

　　图 6：在 ImageNet 数据集上，训练误差（左）和验证误差（右）曲线随训练 epoch 的变化情况。

　　下图 7 展示了在 4 个细粒度图像分类数据集上执行前 40 个 epoch 时，SGDM 和 SGDM+GC 的训练和测试准确率。

　　图 7：在 4 个细粒度图像分类数据集上，训练准确率（实线）和测试准确率（虚线）曲线随训练 epoch 的变化情况。

　　下表 8 展示了 Faster R-CNN 的平均精度（Average Precision，AP）。我们可以看到，在目标检测任务上，使用 GC 训练的所有骨干网络均实现了约 0.3%-0.6% 的性能增益。

　　表 8：使用 Faster-RCNN 和 FPN，不同骨干网络在 COCO 数据集上的检测结果。

　　下表 9 展示了边界框平均精度（AP^b）和实例分割平均精度（AP^m）。我们可以看到，目标检测任务上的 AP^b 提升了 0.5%-0.9%，实例分割任务上的 AP^m 提升了 0.3%-0.7%。

　　表 9：使用 Mask-RCNN 和 FPN，不同骨干网络在 COCO 数据集上的检测和分割结果。

　　使用方法

　　研究者开源了论文中所提方法，使用 PyTorch 实现。包括 SGD_GC、SGD_GCC、SGDW_GCC、Adam_GC、Adam_GCC、AdamW_GCC 和 Adagrad_GCC 多种优化器，其相应实现在 SGD.py 中提供。后缀为「_GC」的优化器使用 GC 对卷积层和全连接层进行优化，而后缀为「_GCC」的优化器仅可用于卷积层。

　　而想要使用这些优化器非常简单，只需使用如下命令 import 对应的模块即可。

　　from SGD import SGD_GC

　　作者信息

　　论文一作 Hongwei Yong（雍宏巍）分别在 2013 年和 2016 年取得了西安交通大学的本科与硕士学位，目前是香港理工大学电子计算系博士生。他的主要研究领域包括图像建模和深度学习等。

　　论文一作 Hongwei Yong。

　　其余三位作者均供职于阿里达摩院，其中 Jianqiang Huang（黄建强）为达摩院资深算法专家，Xiansheng Hua（华先胜）为达摩院城市大脑实验室负责人，Lei Zhang（张磊）为达摩院城市大脑实验室高级研究员。