Caffe实现上采样（upsample）方法总结

引言

CNN的下采样（subsample）在几乎所有的模型结构中都会出现，比如stride>1的卷积操作，pooling操作，都会减少特征图的长宽，起到下采样的效果。与之相对的就是上采样（upsample）操作了，顾名思义，上采样在CNN模型中的作用上增大特征图的长宽，比如都变为原来的2倍。上采样在模型构建中并不像下采样那么频繁被使用，一般情况下，会在下面几个应用中用到上采样操作：
1.segmetation网络，因为segmentation需要还原到特征图到原始输入图像的尺寸；
2.图像生成任务，比如GAN，AVE等，也需要还原到原始输入图像的尺寸；
3.CNN可视化，通过反卷积将卷积得到的feature map还原到像素空间，来观察feature map对哪些pattern相应最大，即可视化哪些特征是卷积操作提取出来的；
那么在Caffe中，都有哪些上采样操作呢？

转置卷积

原理

转置卷积又叫反卷积，及对常规卷积操作的一种逆运算，在这里我们不清晰说反卷积的原理，只是从输入输出尺寸方面说明如何实现上采样的。
比如一个$4\times 4$尺寸的特征图(蓝色)，用$3\times 3$尺寸的卷积核，以stride=1做卷积操作，并且不做padding，那么就会得到尺寸为$2\times 2$的特征图（绿色）。

上面对应的反卷积过程是，将$2\times 2$尺寸的特征图padding到$6\times 6$(蓝色)，用$3\times 3$尺寸的卷积核，以stride=1做反卷积操作，那么就会得到尺寸为$4\times 4$的特征图（绿色）。

一个$5\times 5$尺寸的特征图(蓝色)，padding到$7\times 7$，用$3\times 3$尺寸的卷积核，以stride=2做卷积操作，那么就会得到尺寸为$3\times 3$的特征图（绿色）。

上面对应的反卷积过程是，将$3\times 3$尺寸的特征图padding到$7\times 7$(蓝色)，用$3\times 3$尺寸的卷积核，以stride=1做反卷积操作，那么就会得到尺寸为$5\times 5$的特征图（绿色）。
需要注意的地方是，stride=2对应的反卷积，stride并不等于2，而是在padding的策略上有所区别。

实现

转置卷积在原版Caffe中就有对应的实现，就是Deconvlution layer，它具体由deconv_layer.cpp文件实现，继承自BaseConvlutionLayer类。

应用

转置卷积可以像下面这样使用：

layer {
  name: "upscore"
  type: "Deconvolution"
  bottom: "score_fr"
  top: "upscore"
  param {
    lr_mult: 0
  }
  convolution_param {
    num_output: 40
    bias_term: false
    kernel_size: 64
    stride: 32
  }
}

在全卷积网络（FCN）中，就是用转置卷积实现上采样操作，比如FCN使用了下采样经过5次卷积(和pooling)以后，图像的分辨率依次缩小了2，4，8，16，32倍。对于最后一层的输出图像，需要进行32倍的上采样，以得到原图一样的大小。
FCN具体的网络模型可以参考这里。

UnMaxPooling

原理

UnMaxPoolling，顾名思义就是max pooling的逆操作，我们都知道，max pooling是在池化核中选择最大的那个数作为池化后的结果，而这个数必然会对应一个原特征图位置的索引，这个索引就被后续用来做反maxpool操作，也就是将需要上采样的特征图，根据索引，放到上采样后的特征图的对应位置上去，其余的地方都补上0。

实现

UnMaxPoolling的实现在原版caffe中是没有的，需要加个自定义的layer，这个layer已经有人实现了，它被用于SegNet网络中，叫做upsample_layer。
如果大家仔细看看实现的源码的话，就会发现这个layer实现起来还是很容易的，因为它需要的索引
const Dtype* bottom_mask_data = bottom[1]->cpu_data()
在caffe的原始代码中就已经实现好了，就在pooling_layer中：

 case PoolingParameter_PoolMethod_MAX:
    // Initialize
    //如果使用top_mask的话，max pooling的第二个top，就是mask
    if (use_top_mask) {
      top_mask = top[1]->mutable_cpu_data();
      caffe_set(top_count, Dtype(-1), top_mask);
    } else {
      mask = max_idx_.mutable_cpu_data();
      caffe_set(top_count, -1, mask);
    }
    caffe_set(top_count, Dtype(-FLT_MAX), top_data);
    // The main loop
    for (int n = 0; n < bottom[0]->num(); ++n) {
      for (int c = 0; c < channels_; ++c) {
        for (int ph = 0; ph < pooled_height_; ++ph) {
          for (int pw = 0; pw < pooled_width_; ++pw) {
            int hstart = ph * stride_h_ - pad_h_;
            int wstart = pw * stride_w_ - pad_w_;
            int hend = min(hstart + kernel_h_, height_);
            int wend = min(wstart + kernel_w_, width_);
            hstart = max(hstart, 0);
            wstart = max(wstart, 0);
            const int pool_index = ph * pooled_width_ + pw;
            for (int h = hstart; h < hend; ++h) {
              for (int w = wstart; w < wend; ++w) {
                const int index = h * width_ + w;
                if (bottom_data[index] > top_data[pool_index]) {
                  top_data[pool_index] = bottom_data[index];
                  if (use_top_mask) {
                    top_mask[pool_index] = static_cast(index);
                  } else {
                    mask[pool_index] = index;
                  }
                }
              }
            }
          }
        }
        // compute offset
        bottom_data += bottom[0]->offset(0, 1);
        top_data += top[0]->offset(0, 1);
        if (use_top_mask) {
          top_mask += top[0]->offset(0, 1);
        } else {
          mask += top[0]->offset(0, 1);
        }
      }
    }

应用

UnMaxPooling可以像下面这样使用：

layer {
  name: "pool1"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv1"
  top: "pool1"
  top: "pool1_mask"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}


layer {
  name: "upsample1"
  type: "Upsample"
  bottom: "conv_decode2"
  bottom: "pool1_mask"
  top: "upsample1"
  upsample_param {
    scale: 2
  }
}

可以看到，这个Upsample就是UnMaxPooling，它有两个bottom，分别是需要上采样的特征图“conv_decode2”和下采样时的索引“pool1_mask”；而这个索引就是pooling时得到的。

前面提到了SegNet，SegNet中使用的就是UnMaxPooling的上采样机制，它同样是个用于图像分割的网络。

线性插值

原理

一张图像做resize的时候，都是使用插值算法来完成的，在这里常见的插值算法就不过多介绍了，大家可以参考《图像几何变换（缩放、旋转）中的常用的插值算法》。
那么显然，特征图也可以使用插值算法来进行上采样的，下面这种方法就是使用线性插值方法的上采样机制，原理与图像缩放中的线性插值完全相同。

实现

线性插值的实现在原版caffe中同样是没有的，这个自定义的layer叫做interp_layer。

应用

线性插值层可以像下面这样使用：

layers {
  bottom: "label"
  top: "label_shrink"
  name: "label_shrink"
  type: INTERP
  interp_param {
    shrink_factor: 8
    pad_beg: -1
    pad_end: 0
  }
}

线性插值层被用于DeepLab系列网络中，同样用于图像分割。