Pytorch系列:（五）CNN

卷积

Conv2d

2D卷积函数和参数如下

nn.Conv2d(
    in_channels,
    out_channels,
    kernel_size,
    stride=1,
    padding=0,
    dilation=1,
    groups=1,
    bias=True,
    padding_mode='zeros'
)  

参数说明：

in_channels: 输入通道数，RGB图片一般是3

out_channels: 输出通道，也可以理解为kernel的数量

kernel_size：kernel的和宽设置

kernel 输出尺寸计算：

$\lfloor (n_h-k_h+p_h)/s_h+1\rfloor \ast \lfloor (n_w-k_w+p_w)/s_w+1\rfloor$

stride：kernel移动的步伐

padding：在四周加入padding的数量，默认补0

dilation:

空洞就是计算的时候，对输入层进行挖空操作，如下图所示（图片来源于网络）

group：

分组计算，输出的feature map数量还是一样，只不过，每一个输出feature map 并不是用所有的输入feature map 计算的，而是分组计算，这样可以并行化并且减少计算成本。

假设输入为12个feature map , 输出为6个通道，常规卷积Conv参数$6\ast 12\ast k^2$，但是假设goup=3,那么参数为 3个 $2\ast 4\ast k^2$，这是因为计算的时候，输入的feature map 和 计算的kernel 都要分成3组（如下图所示，图片来源网络）。

bias： 如果bias=True，添加偏置

Conv1d

一维卷积的特点是，卷积核有一个维度和特征的维度是保持一致的，卷积核的另外一个维度是作用在sequenc length上面。

Conv1d(
    in_channels, 
    out_channels, 
    kernel_size, 
    stride=1, 
    padding=0, 
    dilation=1, 
    groups=1, 
    bias=True
)

in_channels: – 输入信号的通道。即为词向量的维度。2维RGB图像卷积中，为3， 一般用在序列模型中，例如一句话中的单词表征为300，那么输入就设置为300

out_channels： 输出多少个channel

kernel_size：设置卷积尺寸，其中一个维度为in_channels，所以实际上卷积大小为kernel_size*in_channels

stride：卷积步长，作用在sequence len上面

padding：在序列两边补0

dilation：卷积核元素之间的间距，同上面conv2d

groups： 同上面conv2d

bias： 如果bias=True，添加偏置

尺寸计算方法

假设输入尺寸为 (batch, sequence len, feature_len) 需要将维度转换为( batch , feature_len, sequence len)，卷积核的尺寸为(feature_len, kernel_size) , 输出为( batch, kernel_size, Lout) ,其中Lout的计算方法如下：

$L_{out}=\lfloor (feature\_len-k_h+p_h)/s_h+1\rfloor$

转置卷积

反卷积（转置卷积）和正常卷积相反，具有尺寸扩张作用，也可以理解为带参数学习的上采样功能，主要可以用到GAN中的。

转置卷积的操作如下图所示：

相当于将被卷积的2*2 feature map进行padding，之后再做卷积操作。

设卷积核大小为k*k，输入为方形矩阵

1. 对输入进行四边补零，单边补零的数量为k-1

2. 将卷积核旋转180°，在新的输入上进行直接卷积 (上下翻转，左右翻转）
   

在pytorch中转置卷积函数如下,其中参数和传统卷积基本一致

nn.ConvTranspose2d(
  in_channels,
  out_channels,
  kernel_size,
  stride=1,
  padding=0,
  output_padding=0,
  groups=1,
  bias=True,
  dilation=1,
  padding_mode='zeros'
) 

尺寸计算方法

简化版

$out=(in\_channel-1)\ast stride+kernel\_size$

完整版

$out=(in\_channel-1)\ast stride-2\ast paddin{g}_{s}ize+dilation\ast (kernel\_size-1)+output\_padding+1$

推荐一个细致讲解转置卷积的帖子：https://blog.csdn.net/tsyccnh/article/details/87357447

池化函数

nn.MaxPool2d

nn.MaxPool2d(
  kernel_size,
  stride=None,
  padding=0,
  dilation=1,
  return_indices=False,
  ceil_mode=False
) 

其中，

return_indices: 可以返回池化的位置，主要用于自编码其中池化上采样（最大池化）

ceil_mode: 表示尺寸向上取整，主要用于kernel_size无法被长宽整除的时候。

其他参数和上述卷积参数含义一样。

主要功能是进行特征缩减，同时保留最大信息，2*2的MaxPoold执行操作如下图所示（来源于cs231n ）

pytorch中的pooling函数，默认kernel size和stride是一样的

pool2d = nn.MaxPool2d(3)  # 这里省略stride设置 pool2d(X)


# 也可以手动设置更详细的：

pool2d = nn.MaxPool2d(3, padding=1, stride=2)

nn.AvgPool2d

nn.AvgPool2d(
  kernel_size,
  stride=None,
  padding=0,
  ceil_mode=False,
  count_include_pad=True,
  divisor_override=None
) 

其中：

count_include_pad：求平均值的时候，是否考虑将padding加入计算，divisor_override：可以设置分母，例如2*2均值就是除以4，但是我们可以设置其他值

其他参数和上述nn.MaxPool2d含义一样

主要操作和nn.MaxPool2d一样，不同的是，这里做的是求平均操作。

nn.MaxUnpool2d

反池化操作，就是池化的反向操作，具体如下图所示（图片来源网络）：

nn.MaxUnpool2d(
  kernel_size,
  stride=None,
  padding=0
) 

一个例子,首先使用MaxPool2d采样，然后保留采样位置，最后使用采样位置indices来进行反池化操作。

img = torch.randn((28,28))
max_pool_l = nn.MaxPool2d((2,2),stride=(2,2),return_indices=True) 
img_pool,indices = max_pool_l(img) 


maxUpPool_l = nn.MaxUnpooled((2,2),stride=(2,2))
img_Up = maxUpPool_l(input_i , indices)