Task06 批量归一化

批量归一化是提升深度神经网络训练效率的关键技术,通过标准化输入数据,确保每一层的中间输出更加稳定。在全连接层中,它位于仿射变换和激活函数之间;对于卷积层,它在卷积操作后、激活函数前。在训练时以小批量计算均值和方差,预测时使用移动平均估计整体数据集的统计信息。

批量归一化

批量归一化层,它能让较深的神经网络的训练变得更加容易。

• 对输入的标准化(浅层模型)

处理后的任意一个特征在数据集中所有样本上的均值为0、标准差为1。
标准化处理输入数据使各个特征的分布相近

• 批量归一化(深度模型)

利用小批量上的均值和标准差,不断调整神经网络中间输出,从而使整个神经网络在各层的中间输出的数值更稳定。

1.对全连接层做批量归一化

全连接层的批量归一化层,置于全连接层中的仿射变换和激活函数之间。

2.对卷积层做批量归一化

对卷积层做批量归一化,置于卷积计算之后、应用激活函数之前。

3.预测时的批量归一化

训练时:以batch为单位,对每个batch计算均值和方差。
预测时:用移动平均估算整个训练数据集的样本均值和方差。

批量归一化的pytorch 简洁实现

import torch
from torch import nn, optim
import torch.nn.functional as F
import sys
sys.path.append(".")
import d2lzh_pytorch as d2l

net = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(1, 6, 5),  # in_channels, out_channels, kernel_size
    nn.BatchNorm2d(6),
    nn.Sigmoid(),
    nn.MaxPool2d(2, 2),  # kernel_size, stride
    nn.Conv2d(6, 16, 5),
    nn.BatchNorm2d(16),
    nn.Sigmoid(),
    nn.MaxPool2d(2, 2),
    d2l.FlattenLayer(),
    nn.Linear(16 * 4 * 4, 120),
    nn.BatchNorm1d(120),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(120, 84),
    nn.BatchNorm1d(84),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(84, 10)
)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
batch_size=16
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size,root="./Dataset/FashionMnist")

lr, num_epochs = 0.001, 5
optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=lr)
d2l.train_ch5(net, train_iter, test_iter, batch_size, optimizer, device, num_epochs)

其中

def load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=None, root='./Datasets/FashionMNIST'):
    """Download the fashion mnist dataset and then load into memory."""
    trans = []
    if resize:
        trans.append(torchvision.transforms.Resize(size=resize))
    trans.append(torchvision.transforms.ToTensor())
    
    transform = torchvision.transforms.Compose(trans)
    mnist_train = torchvision.datasets.FashionMNIST(root=root, train=True, download=True, transform=transform)
    mnist_test = torchvision.datasets.FashionMNIST(root=root, train=False, download=True, transform=transform)
    if sys.platform.startswith('win'):
        num_workers = 0  # 0表示不用额外的进程来加速读取数据
    else:
        num_workers = 4
    train_iter = torch.utils.data.DataLoader(mnist_train, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=num_workers)
    test_iter = torch.utils.data.DataLoader(mnist_test, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=num_workers)

    return train_iter, test_iter



def train_ch5(net, train_iter, test_iter, batch_size, optimizer, device, num_epochs):
    net = net.to(device)
    print("training on ", device)
    loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()
    for epoch in range(num_epochs):
        train_l_sum, train_acc_sum, n, batch_count, start = 0.0, 0.0, 0, 0, time.time()
        for X, y in train_iter:
            X = X.to(device)
            y = y.to(device)
            y_hat = net(X)
            l = loss(y_hat, y)
            optimizer.zero_grad()
            l.backward()
            optimizer.step()
            train_l_sum += l.cpu().item()
            train_acc_sum += (y_hat.argmax(dim=1) == y).sum().cpu().item()
            n += y.shape[0]
            batch_count += 1
        test_acc = evaluate_accuracy(test_iter, net)
        print('epoch %d, loss %.4f, train acc %.3f, test acc %.3f, time %.1f sec'
              % (epoch + 1, train_l_sum / batch_count, train_acc_sum / n, test_acc, time.time() - start))

 

<think>好的,我现在需要帮助用户解决在ENVI中对多波段影像进行批量归一化处理的问题。首先,我得理解用户的需求。用户提到的是多波段影像的批量归一化,可能他们有很多影像需要处理,手动一个个处理效率太低,所以想要批量处理的方法。 接下来,我应该回忆一下ENVI的相关功能。根据之前的引用内容,ENVI有波段运算、内置函数Spectral Indices运算以及内置工具如NDVI计算。用户提到的归一化处理,可能需要通过波段运算来实现,因为归一化通常是自定义的数学运算,比如每个波段的像元值除以总和或其他统计值。 用户提供的引用中,引用[2]提到了波段比和波段运算,指出比值增强可以用于归一化处理,压制亮度差异或大气影响。这可能和用户的需求相关。此外,引用[3]提到了ENVI计算NDVI的几种方法,包括波段运算,这说明波段运算是ENVI中处理这类任务的主要工具之一。 那如何批量处理呢?ENVI的波段运算是否支持批量处理多个文件?我记得ENVI可以通过编写脚本或者使用任务批处理功能来执行批量操作。用户可能需要使用ENVI的Band Math工具,逐个处理每个波段,但如果是多影像文件,就需要结合批处理功能。 可能的步骤是:首先,打开波段运算工具,输入归一化公式,比如(b1)/(b1+b2+...+bn),其中b1到bn是各个波段的像元值。然后,对每个影像文件应用这个公式。但如何批量处理多个文件呢?可能需要使用ENVI的API或者编写IDL脚本,或者利用ENVI的Task模式进行批处理。 另外,用户可能需要考虑每个影像的各个波段归一化后的结果保存到新文件。例如,对于每个输入影像,生成一个归一化后的输出影像,并自动保存到指定目录。这可能需要循环处理每个文件,应用相同的波段运算公式。 需要注意的是,ENVI的默认波段运算可能不支持直接处理多文件,所以可能需要结合ENVI的编程接口,或者使用ENVI Modeler创建处理流程,然后批量应用。例如,使用ENVI的Batch Processing工具,或者编写IDL代码调用ENVI的功能。 另外,引用[1]提到使用GDAL进行批量波段运算,但用户明确询问的是ENVI的方法,所以可能不需要涉及GDAL,除非用户愿意考虑其他工具。但根据问题描述,用户希望使用ENVI处理。 总结步骤可能包括: 1. 确定归一化公式,比如每个波段除以所有波段之和。 2. 使用ENVI的波段运算工具输入公式。 3. 对每个影像文件应用该公式,并保存结果。 4. 使用ENVI的批处理功能自动化处理多个文件。 但如何具体操作呢?例如,假设用户有多个影像文件,每个文件有多个波段,如何对每个文件的每个波段进行归一化处理?可能需要针对每个影像,逐个波段应用公式,或者一次性计算所有波段的归一化值。 另外,归一化方法可能有多种,比如最大值最小值归一化,或者总和归一化。用户需要明确具体需求,但问题中没有说明具体归一化方法,所以可能需要给出一般性的方法,并说明如何自定义公式。 此外,引用[3]提到ENVI的不同方法计算NDVI的结果差异,所以归一化的方法也需要确保公式正确,避免误差。 可能的解决方案是: - 使用波段运算,编写归一化公式。 - 使用ENVI的Task API或者Batch Processing工具进行批量处理。 - 或者编写IDL脚本自动化处理。 需要详细步骤,可能还需要考虑如何获取所有波段的数值总和,比如在波段运算中如何引用多个波段。例如,如果影像有n个波段,公式可能是b1/(b1+b2+...+bn),但需要知道波段数量。对于不同的影像,波段数量可能不同,所以可能需要动态处理。 或者,用户可能需要逐波段归一化,比如每个波段的值除以整个影像的最大值,或者其他统计值。这需要更复杂的处理,可能需要先计算统计信息,再应用公式。 不过,用户的问题是多波段影像的归一化,可能指的是将每个像元的各个波段值归一化为总和为1,或者每个波段独立归一化到0-1范围。需要明确。 假设用户是指每个像元的各个波段值之和为1,即每个波段的值为该像元各个波段值的比例。这种情况下,公式为每个波段除以所有波段之和。例如,对于波段i,公式为bi / (b1 + b2 + ... + bn)。这在ENVI的波段运算中如何实现? ENVI的波段运算允许使用波段变量,如b1到bn。例如,如果有3个波段,表达式可以是b1/(b1+b2+b3),然后应用到每个波段。但如果是多个波段,比如10个,手动输入会很麻烦。这时候可能需要使用IDL编写循环来处理每个波段,或者使用更高级的表达式。 另外,ENVI的波段运算是否支持数组操作?例如,计算所有波段的总和,然后每个波段除以总和。例如,总和可以表示为total = sum(b1, b2, ..., bn),然后每个波段为bi / total。但如何动态引用所有波段呢? 可能需要用到ENVI的数组变量。例如,使用float(b1)将每个波段转换为浮点数,然后计算总和。例如,总和可以通过b1 + b2 + b3 + ... + bn,但手动输入所有波段变量可能不现实,尤其是当波段数量较多时。 或者,可以使用ENVI的API,例如,通过IDL脚本获取影像的波段数,然后动态生成表达式。例如,如果影像有5个波段,表达式会是b1/(b1+b2+b3+b4+b5)。这样,对于不同数量的波段,需要不同的表达式。 因此,批量处理多波段影像的归一化可能需要针对每个影像单独处理,根据其波段数量生成相应的表达式。这可能比较复杂,特别是当不同影像的波段数不同时。 另一个可能性是,用户希望每个波段独立进行归一化,比如将每个波段的值线性拉伸到0-1范围。这需要计算每个波段的最小值和最大值,然后进行归一化。这种情况下,可以使用ENVI的波段运算结合统计信息。例如,对于波段i,公式为(float(bi) - min) / (max - min),其中min和max是该波段的最小和最大值。ENVI是否支持在波段运算中动态获取波段的统计信息? 或者,用户可能需要使用ENVI的Routine Normalization工具,如果有的话。但我不太确定ENVI是否有内置的归一化工具。如果没有,可能需要手动处理。 综合以上分析,可能的解决步骤是: 1. 确定归一化方法,例如每个像元的各波段值之和为1。 2. 使用波段运算工具输入表达式,例如b1/(b1+b2+b3)(假设3个波段)。 3. 对于不同波段数量的影像,需要调整表达式中的波段数。 4. 使用ENVI的批处理功能或IDL脚本批量处理多个影像文件。 或者,使用IDL脚本自动获取每个影像的波段数,动态生成表达式,并循环处理所有影像。 如果用户不具备编程能力,可能需要手动逐个处理,或者寻找其他方法。例如,使用ENVI Modeler创建处理链,然后应用批量处理。 此外,引用[2]提到波段运算可以用于归一化处理,所以可能需要具体指导用户如何在波段运算中设置公式,并如何批量应用。 因此,回答的结构应该是: 1. 介绍ENVI中批量归一化处理的两种主要方法:波段运算结合批处理工具,或者IDL脚本。 2. 详细步骤:使用波段运算输入公式,然后使用任务批处理功能。 3. 示例公式,比如总和归一化或最大值最小值归一化。 4. 注意事项,如波段数不同时的处理,以及如何自动保存结果。 可能需要参考引用[2]和[3]来说明波段运算的应用和不同方法的差异。</think>### ENVI多波段影像批量归一化处理方法 在ENVI中对多波段影像进行批量归一化处理,可通过**波段运算**结合**任务批处理功能**实现。以下是具体操作步骤: --- #### **方法一:波段运算+手动批处理** 1. **确定归一化公式** 假设需将每个像元的各波段值归一化为总和为1,表达式为: $$ \text{归一化值} = \frac{b_i}{b_1 + b_2 + \dots + b_n} $$ 其中$b_i$为当前波段值,$b_1$到$b_n$为所有波段值。 2. **单文件处理流程** - 打开影像文件后,选择`Band Math`工具(`工具箱 > Band Algebra > Band Math`)。 - 输入公式(以3波段为例): ```b1/(b1+b2+b3)``` 为每个波段重复此步骤,修改`b1`为当前波段变量[^2]。 - 输出结果保存为新文件。 3. **批量处理多文件** - 使用`Task Manager`(`文件 > 任务管理器`)记录上述操作。 - 通过`Batch Processing`功能加载多个文件并自动应用任务[^3]。 --- #### **方法二:IDL脚本自动化** 若需处理波段数量动态变化的影像,可编写IDL脚本动态生成表达式: ```idl pro batch_normalize ; 选择输入文件目录 input_dir = dialog_pickfile(/directory) files = file_search(input_dir + '*.dat') foreach file, files do begin ; 打开影像并获取波段数 envi_open_file, file, r_fid=fid if fid eq -1 then continue envi_file_query, fid, nb=nb ; 动态生成表达式 sum_bands = strjoin(strarr(nb)+'b'+string(1+nb_indgen(nb)), '+') expression = 'b1/(' + sum_bands + ')' ; 执行波段运算并保存 for i=0, nb-1 do begin envi_doit, 'band_math', fid=fid, dims=dims, exp=expression, out_name=file+'_normalized' endfor endforeach end ``` --- #### **注意事项** 1. **归一化类型选择** - 若需最大值归一化(如NDVI标准化),公式为: $$ \text{归一化值} = \frac{b_i - \text{min}(b_i)}{\text{max}(b_i) - \text{min}(b_i)} $$ 需提前通过`Statistics`工具计算各波段统计值[^3]。 2. **数据格式转换** 归一化可能导致小数结果,建议输出为浮点型(如`float`)避免精度损失。 3. **结果验证** 使用`Pixel Inspector`工具检查归一化后像元值是否符合预期范围(如0-1)。 --- 相关问题
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