pytorch和tensorflow的爱恨情仇之参数初始化

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pytorch版本：1.6.0

tensorflow版本：1.15.0

关于参数初始化，主要的就是一些数学中的分布，比如正态分布、均匀分布等等。

1、pytorch

（1）自定义可训练参数

torch.bernoulli( input
,  out=None
) → Tensor 从伯努利分布中抽取二进制随机数 (0 或 1) torch.multinomial( input
,  num_samples
,  replacement=False
,  out=None
)→ LongTensor 返回一个张量, 其中每一行包含在 input 张量对应行中多项式分布取样的 num_samples 索引 torch.normal( means
,  std
,  out=None
) 返回一个随机数张量, 随机数从给定平均值和标准差的离散正态分布中抽取. torch.normal( mean=0.0
,  std
,  out=None
) 功能与上面函数类似, 但所有被抽取的元素共享均值 torch.normal( means
,  std=1.0
,  out=None
) 功能与上面函数类似, 但所有被抽取的元素共享标准差 torch.rand( *sizes
,  out=None
) → Tensor 在区间 [0,1)中, 返回一个填充了均匀分布的随机数的张量.这个张量的形状由可变参数 sizes 来定义 torch.randn( *sizes
,  out=None
) → Tensor 返回一个从正态分布中填充随机数的张量, 其均值为 0 , 方差为 1 .这个张量的形状被可变参数 sizes 定义 torch.randperm( n
,  out=None
) → LongTensor 返回一个从 0 to n – 1 的整数的随机排列 In-place random sampling (直接随机采样) torch.Tensor.bernoulli_() torch.bernoulli() 的 in-place 版本 torch.Tensor.cauchy_() 从柯西分布中抽取数字 torch.Tensor.exponential_() 从指数分布中抽取数字 torch.Tensor.geometric_() 从几何分布中抽取元素 torch.Tensor.log_normal_() 对数正态分布中的样本 torch.Tensor.normal_() 是 torch.normal() 的 in-place 版本 torch.Tensor.random_() 离散均匀分布中采样的数字 torch.Tensor.uniform_() 正态分布中采样的数字

说明：像这种normal_()最后带下划线的是对原始的数据进行操作。

当然还有一些像：torch.zeros()、torch.zeros_()、torch.ones()、torch.ones_()等函数；

以下的例子是使用这些分布进行的参数初始化：

a = torch.Tensor(3, 3).bernoulli_()

tensor([[1., 1., 1.],
        [0., 1., 0.],
        [0., 1., 0.]])

a = torch.Tensor(3, 3).normal_(0,1)

tensor([[ 0.7777,  0.9153, -0.1495],
        [-0.0533,  1.6500, -1.2531],
        [-0.5321,  0.1954, -1.3835]])

然后我们将其放到torch.tensor()中，并设定可进行梯度计算：

b = torch.tensor(a,requires_grad=True)

E:\anaconda2\envs\python36\lib\site-packages\ipykernel_launcher.py:1: UserWarning: To copy construct from a tensor, it is recommended to use sourceTensor.clone().detach() or sourceTensor.clone().detach().requires_grad_(True), rather than torch.tensor(sourceTensor).
  """Entry point for launching an IPython kernel.
Out[7]:
tensor([[ 0.7777,  0.9153, -0.1495],
        [-0.0533,  1.6500, -1.2531],
        [-0.5321,  0.1954, -1.3835]], requires_grad=True)

这里报了以上警告，我们按照提示修改成以下即可：

c = a.clone().detach().requires_grad_(True)

结果是一样的：

tensor([[ 0.7777,  0.9153, -0.1495],
        [-0.0533,  1.6500, -1.2531],
        [-0.5321,  0.1954, -1.3835]], requires_grad=True)

（2）在网络中初始化层参数

PyTorch 中参数的默认初始化在各个层的 reset_parameters()
方法中。

class Net(nn.Module):
    def __init__(self,input,hidden,classes):
        super(Net, self).__init__()
        self.input = input
        self.hidden = hidden
        self.classes = classes
        
        self.w0 = nn.Parameter(torch.Tensor(self.input,self.hidden))
        self.b0 = nn.Parameter(torch.Tensor(self.hidden))
        self.w1 = nn.Parameter(torch.Tensor(self.hidden,self.classes))
        self.b1 = nn.Parameter(torch.Tensor(self.classes))
        self.reset_parameters()
        
    def reset_parameters(self):
        nn.init.normal_(self.w0)
        nn.init.constant_(self.b0,0)
        nn.init.normal_(self.w1)
        nn.init.constant_(self.b1,0)
        
        
    def forward(self,x):
        out = torch.matmul(x,self.w0)+self.b0
        out = F.relu(out)
        out = torch.matmul(out,self.w1)+self.b1
        return out

nn.Parameter()函数的作用：使用这个函数的目的也是想让某些变量在学习的过程中不断的修改其值以达到最优化；

可以使用torch.nn.init()中的初始化方法：

w = torch.empty(2, 3)
# 1. 均匀分布 - u(a,b)
# torch.nn.init.uniform_(tensor, a=0, b=1)
nn.init.uniform_(w)
# tensor([[ 0.0578,  0.3402,  0.5034],
#         [ 0.7865,  0.7280,  0.6269]])
# 2. <a href="https://flashgene.com/archives/tag/%e6%ad%a3%e6%80%81%e5%88%86%e5%b8%83" rel="tag" title="Posts tagged with 正态分布">正态分布</a> - N(mean, std)
# torch.nn.init.normal_(tensor, mean=0, std=1)
nn.init.normal_(w)
# tensor([[ 0.3326,  0.0171, -0.6745],
#        [ 0.1669,  0.1747,  0.0472]])
# 3. 常数 - 固定值 val
# torch.nn.init.constant_(tensor, val)
nn.init.constant_(w, 0.3)
# tensor([[ 0.3000,  0.3000,  0.3000],
#         [ 0.3000,  0.3000,  0.3000]])
# 4. 对角线为 1，其它为 0
# torch.nn.init.eye_(tensor)
nn.init.eye_(w)
# tensor([[ 1.,  0.,  0.],
#         [ 0.,  1.,  0.]])
# 5. Dirac delta 函数初始化，仅适用于 {3, 4, 5}-维的 torch.Tensor
# torch.nn.init.dirac_(tensor)
w1 = torch.empty(3, 16, 5, 5)
nn.init.dirac_(w1)
# 6. xavier_uniform <a href="https://flashgene.com/archives/tag/%e5%88%9d%e5%a7%8b%e5%8c%96" rel="tag" title="Posts tagged with 初始化">初始化</a>
# torch.nn.init.xavier_uniform_(tensor, gain=1)
# From - Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks - Bengio 2010
nn.init.xavier_uniform_(w, gain=nn.init.calculate_gain('relu'))
# tensor([[ 1.3374,  0.7932, -0.0891],
#         [-1.3363, -0.0206, -0.9346]])
# 7. xavier_normal 初始化
# torch.nn.init.xavier_normal_(tensor, gain=1)
nn.init.xavier_normal_(w)
# tensor([[-0.1777,  0.6740,  0.1139],
#         [ 0.3018, -0.2443,  0.6824]])
# 8. kaiming_uniform 初始化
# From - Delving deep into rectifiers: Surpassing human-level performance on ImageNet classification - HeKaiming 2015
# torch.nn.init.kaiming_uniform_(tensor, a=0, mode='fan_in', nonlinearity='leaky_relu')
nn.init.kaiming_uniform_(w, mode='fan_in', nonlinearity='relu')
# tensor([[ 0.6426, -0.9582, -1.1783],
#         [-0.0515, -0.4975,  1.3237]])
# 9. kaiming_normal 初始化
# torch.nn.init.kaiming_normal_(tensor, a=0, mode='fan_in', nonlinearity='leaky_relu')
nn.init.kaiming_normal_(w, mode='fan_out', nonlinearity='relu')
# tensor([[ 0.2530, -0.4382,  1.5995],
#         [ 0.0544,  1.6392, -2.0752]])
# 10. 正交矩阵 - (semi)orthogonal matrix
# From - Exact solutions to the nonlinear dynamics of learning in deep linear neural networks - Saxe 2013
# torch.nn.init.orthogonal_(tensor, gain=1)
nn.init.orthogonal_(w)
# tensor([[ 0.5786, -0.5642, -0.5890],
#         [-0.7517, -0.0886, -0.6536]])
# 11. 稀疏矩阵 - sparse matrix 
# 非零元素采用正态分布 N(0, 0.01) 初始化.
# From - Deep learning via Hessian-free optimization - Martens 2010
# torch.nn.init.sparse_(tensor, sparsity, std=0.01)
nn.init.sparse_(w, sparsity=0.1)
# tensor(1.00000e-03 *
#        [[-0.3382,  1.9501, -1.7761],
#         [ 0.0000,  0.0000,  0.0000]])

如果是pytorch中自带的层的参数，我们可以这幺进行初始化：

for m in model.modules():
    if isinstance(m, (nn.Conv2d, nn.Linear)):
        nn.init.xavier_uniform_(m.weight)

上面这段代码的意思是：遍历模型的每一层，如果是nn.Conv2d和nn.Linear类型，则获取它的权重参数m.weight进行xavier_uniform初始化，同样的，可以通过m.bias来获取偏置项。下面看一下pytorch版本的残差网络进行参数初始化的代码：

for m in self.modules():
    if isinstance(m, nn.Conv2d):
        nn.init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out', nonlinearity='relu')
    elif isinstance(m, (nn.BatchNorm2d, nn.GroupNorm)):
        nn.init.constant_(m.weight, 1)
        nn.init.constant_(m.bias, 0)

该代码块是在__ini__中使用的，这里的self就指代了当前model。

参考：

https://blog.csdn.net/ys1305/article/details/94332007

2、tensorflow

（1）自定义参数初始化

创建一个2*3的矩阵，并让所有元素的值为0.（类型为tf.float）

a = tf.zeros([2,3], dtype = tf.float32)

创建一个3*4的矩阵，并让所有元素的值为1.

b = tf.ones([3,4])

创建一个1*10的矩阵，使用2来填充。（类型为tf.int32，可忽略）

c = tf.constant(2, dtype=tf.int32, shape=[1,10])

创建一个1*10的矩阵，其中的元素符合正态分布，平均值是20，标准偏差是3.

d = tf.random_normal([1,10],mean = 20, stddev = 3)

上面所有的值都可以用来初始化变量。例如用0.01来填充一个1*2的矩阵来初始化一个叫bias的变量。

bias = tf.Variable(tf.zeros([1,2]) + 0.01)

（2）谁用 类型__initializer() 进行初始化

初始化常量

import tensorflow as tf
 
value = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
init = tf.constant_initializer(value)
 
with tf.Session() as sess:
 
  x = tf.get_variable('x', shape=[8], initializer=init)
  x.initializer.run()
  print(x.eval())
 
#output:
#[ 0.  1.  2.  3.  4.  5.  6.  7.]

tf.zeros_initializer() 和 tf.ones_initializer() 类，分别用来初始化全0和全1的tensor对象。

import tensorflow as tf
 
init_zeros=tf.zeros_initializer()
init_ones = tf.ones_initializer
 
 
with tf.Session() as sess:
 
  x = tf.get_variable('x', shape=[8], initializer=init_zeros)
  y = tf.get_variable('y', shape=[8], initializer=init_ones)
  x.initializer.run()
  y.initializer.run()
  print(x.eval())
  print(y.eval())
 
#output:
# [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.]
# [ 1.  1.  1.  1.  1.  1.  1.  1.]

初始化为正态分布

初始化参数为正太分布在神经网络中应用的最多，可以初始化为标准正太分布和截断正太分布。

tf中使用 tf.random_normal_initializer() 类来生成一组符合标准正太分布的tensor。

tf中使用 tf.truncated_normal_initializer() 类来生成一组符合截断正太分布的tensor。

mean： 正太分布的均值，默认值0

stddev： 正太分布的标准差，默认值1

seed： 随机数种子，指定seed的值可以每次都生成同样的数据

dtype： 数据类型

import tensorflow as tf
 
init_random = tf.random_normal_initializer(mean=0.0, stddev=1.0, seed=None, dtype=tf.float32)
init_truncated = tf.truncated_normal_initializer(mean=0.0, stddev=1.0, seed=None, dtype=tf.float32)
 
 
with tf.Session() as sess:
 
  x = tf.get_variable('x', shape=[10], initializer=init_random)
  y = tf.get_variable('y', shape=[10], initializer=init_truncated)
  x.initializer.run()
  y.initializer.run()
 
  print(x.eval())
  print(y.eval())
 
 
#output:
# [-0.40236568 -0.35864913 -0.94253045 -0.40153521  0.1552504   1.16989613
#   0.43091929 -0.31410623  0.70080078 -0.9620409 ]
# [ 0.18356581 -0.06860946 -0.55245203  1.08850253 -1.13627422 -0.1006074
#   0.65564936  0.03948414  0.86558545 -0.4964745 ]

初始化为均匀分布

tf中使用 tf.random_uniform_initializer 类来生成一组符合均匀分布的tensor。

minval: 最小值

maxval： 最大值

seed：随机数种子

dtype： 数据类型

import tensorflow as tf
 
init_uniform = tf.random_uniform_initializer(minval=0, maxval=10, seed=None, dtype=tf.float32)
 
 
with tf.Session() as sess:
 
  x = tf.get_variable('x', shape=[10], initializer=init_uniform)
  x.initializer.run()
 
  print(x.eval())
 
# output:
# [ 6.93343639  9.41196823  5.54009819  1.38017178  1.78720832  5.38881063
#   3.39674473  8.12443542  0.62157512  8.36026382]

其它的一些：

tf.orthogonal_initializer() 初始化为正交矩阵的随机数，形状最少需要是二维的

tf.glorot_uniform_initializer() 初始化为与输入输出节点数相关的均匀分布随机数

tf.glorot_normal_initializer（） 初始化为与输入输出节点数相关的截断正太分布随机数

在使用时：

with tf.Session() as sess:
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)

使用以上方式将参数进行初始化。

补充：从两个方法的名称上，可以简单理解一下，Variable是定义变量，而get_variable是获取变量（只不过如果获取不到就重新定义一个变量）

具体差异可以参考：https://blog.csdn.net/kevindree/article/details/86936476

参考：

https://blog.csdn.net/dcrmg/article/details/80034075

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