BatchNorm层测试出现nan的查bug之旅

                                                              BatchNorm层测试出现nan的查bug之旅

1、前言

在caffe中使用BatchNorm层很简单,只要注意一点,在训练时将use_global_states设为false,测试前向阶段将use_global_states设为true即可。在tensorflow中,其实也不难(具体可参考我的另一外博客:https://blog.youkuaiyun.com/LxDamon/article/details/108762087),稍微复杂一点点,只要注意batchnorm的mean和variance不是trainable的变量,只是会计算更新,简单理解就是它们不参与反向传播,只有BN层的尺度因子gamma和偏移因子beta是需要学习即进行反向传播的,这里就不展开讲BN的原理(后面会单拎一篇博客仔细讲解与分析BN的原理)。在tensorflow中首先需要利用tf.GraphKeys.UPDATE_OPS将需要更新的mean和variance变量收集到update_ops列表中,然后训练时设置trainable为True,测试推理时将trainable设为False,一般做好这两点,基本BN就可以正常使用,但是接下来的bug却困扰到我了。

2、bug的现象

训练过程中利用tensorboar

### 权重出现NaN的原因 在深度学习模型训练过程中,权重出现NaN通常是由于数值不稳定性引起的。这种现象可能由以下几个主要原因造成: - **学习率过高**:过高的学习率可能导致梯度爆炸,使得权重更新幅度超出正常范围,从而导致模型参数变为无穷大或NaN[^1]。 - **数据质量问题**:训练数据中存在异常值或分布不平衡的情况也可能引发模型在某些批次的训练过程中出现问题,进而导致权重出现NaN[^3]。 - **模型结构问题**:复杂的模型结构可能会引入数值计算中的不稳定因素,尤其是在涉及指数运算或其他非线性变换时更容易发生数值溢出[^4]。 --- ### 解决权重出现NaN的方法 针对上述原因,可以通过以下几种方式解决问题: #### 调整学习率 降低学习率是一种常见的解决方法。较低的学习率能够减缓参数更新的速度,防止梯度爆炸的发生。可以尝试逐步减少学习率,并观察损失函数的变化情况以找到合适的值。 #### 数据预处理 仔细检和清理输入的数据集非常重要。去除噪声、标准化特征值以及平衡类别分布都可以有效提升模型训练过程中的稳定性。以下是数据标准化的一个Python实现例子: ```python from sklearn.preprocessing import StandardScaler scaler = StandardScaler() X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train) ``` #### 使用梯度裁剪技术 为了进一步控制梯度大小,在反向传播阶段实施梯度裁剪是一项有效的措施。这种方法可以在每次迭代前将超过指定阈值的大梯度缩小到可接受范围内,避免其对权重产生剧烈影响。下面展示了一个PyTorch框架下的梯度裁剪代码片段: ```python import torch.nn.utils as utils utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm=1.0, norm_type=2) ``` #### 启用混合精度训练 利用半精度浮点数(FP16)代替单精度浮点数(FP32),不仅有助于节省内存资源还能加快计算速度;与此同时,现代深度学习库提供了自动混合同精度支持功能,该机制会在必要时候切换回更高精度模式完成关键操作以防止单纯依赖低精度带来的潜在风险[^2]。 --- ### 总结 综上所述,要应对模型训练期间发生的权重为NaN状况,需综合考量多个方面的影响要素——从基础面着手优化超参配置比如适当调节初始设定好的学习速率直至达到理想效果为止;另外还需重视原始素材的质量管控环节确保无误后再投入后续流程当中去执行具体任务目标达成共识之后再行动起来吧! ---
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