NNDL 实验六 卷积神经网络（1）卷积

目录

5.1 卷积

5.1.1 二维卷积运算

5.1.2 二维卷积算子

5.1.3 二维卷积的参数量和计算量

5.1.4 感受野

5.1.5 卷积的变种

5.1.6 带步长和零填充的二维卷积算子

5.1.7 使用卷积运算完成图像边缘检测任务

选做题：实现1、2；阅读3、4、5

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卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）

• 受生物学上感受野机制的启发而提出。
• 一般是由卷积层、汇聚层和全连接层交叉堆叠而成的前馈神经网络
• 有三个结构上的特性：局部连接、权重共享、汇聚。
• 具有一定程度上的平移、缩放和旋转不变性。
• 和前馈神经网络相比，卷积神经网络的参数更少。
• 主要应用在图像和视频分析的任务上，其准确率一般也远远超出了其他的神经网络模型。
• 近年来卷积神经网络也广泛地应用到自然语言处理、推荐系统等领域。

5.1 卷积

5.1.1 二维卷积运算

5.1.2 二维卷积算子

在本书后面的实现中，算子都继承paddle.nn.Layer，并使用支持反向传播的飞桨API进行实现，这样我们就可以不用手工写backword()的代码实现。

【使用pytorch实现自定义二维卷积算子】

参考代码：

import paddle
import paddle.nn as nn

class Conv2D(nn.Layer):
    def __init__(self, kernel_size, 
                    weight_attr=paddle.ParamAttr(initializer=nn.initializer.Assign(value=[[0., 1.],[2., 3.]]))):
        super(Conv2D, self).__init__()
        # 使用'paddle.create_parameter'创建卷积核
        # 使用'paddle.ParamAttr'进行参数初始化
        self.weight = paddle.create_parameter(shape=[kernel_size,kernel_size],
                                                dtype='float32',
                                                attr=weight_attr)
    def forward(self, X):
        """
        输入：
            - X：输入矩阵，shape=[B, M, N]，B为样本数量
        输出：
            - output：输出矩阵
        """
        u, v = self.weight.shape
        output = paddle.zeros([X.shape[0], X.shape[1] - u + 1, X.shape[2] - v + 1])
        for i in range(output.shape[1]):
            for j in range(output.shape[2]):
                output[:, i, j] = paddle.sum(X[:, i:i+u, j:j+v]*self.weight, axis=[1,2])
        return output

# 随机构造一个二维输入矩阵
paddle.seed(100)
inputs = paddle.to_tensor([[[1.,2.,3.],[4.,5.,6.],[7.,8.,9.]]])

conv2d = Conv2D(kernel_size=2)
outputs = conv2d(inputs)
print("input: {}, \noutput: {}".format(inputs, outputs))

5.1.3 二维卷积的参数量和计算量

随着隐藏层神经元数量的变多以及层数的加深，

使用全连接前馈网络处理图像数据时，参数量会急剧增加。

如果使用卷积进行图像处理，相较于全连接前馈网络，参数量少了非常多。

5.1.4 感受野

5.1.5 卷积的变种

5.1.5.1 步长（Stride）

5.1.5.2 零填充（Zero Padding）

5.1.6 带步长和零填充的二维卷积算子

从输出结果看出，使用3×3大小卷积，

padding为1，

当stride=1时，模型的输出特征图与输入特征图保持一致；

当stride=2时，模型的输出特征图的宽和高都缩小一倍。

【使用pytorch实现自定义带步长和零填充的二维卷积算子】

参考代码

class Conv2D(nn.Layer):
    def __init__(self, kernel_size, stride=1, padding=0, 
                    weight_attr=paddle.ParamAttr(initializer=nn.initializer.Constant(value=1.0))):
        super(Conv2D, self).__init__()
        self.weight = paddle.create_parameter(shape=[kernel_size,kernel_size], 
                                                dtype='float32', 
                                                attr=weight_attr)
        # 步长
        self.stride = stride
        # 零填充
        self.padding = padding

    def forward(self, X):
        # 零填充
        new_X = paddle.zeros([X.shape[0], X.shape[1]+2*self.padding, X.shape[2]+2*self.padding])
        new_X[:, self.padding:X.shape[1]+self.padding, self.padding:X.shape[2]+self.padding] = X
        u, v = self.weight.shape
        output_w = (new_X.shape[1] - u) // self.stride + 1
        output_h = (new_X.shape[2] - v) // self.stride + 1
        output = paddle.zeros([X.shape[0], output_w, output_h])
        for i in range(0, output.shape[1]):
            for j in range(0, output.shape[2]):
                output[:, i, j] = paddle.sum(
                    new_X[:, self.stride*i:self.stride*i+u, self.stride*j:self.stride*j+v]*self.weight,
                    axis=[1,2])
        return output

inputs = paddle.randn(shape=[2, 8, 8])
conv2d_padding = Conv2D(kernel_size=3, padding=1)
outputs = conv2d_padding(inputs)
print("When kernel_size=3, padding=1 stride=1, input's shape: {}, output's shape: {}".format(inputs.shape, outputs.shape))
conv2d_stride = Conv2D(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
outputs = conv2d_stride(inputs)
print("When kernel_size=3, padding=1 stride=2, input's shape: {}, output's shape: {}".format(inputs.shape, outputs.shape))

5.1.7 使用卷积运算完成图像边缘检测任务

【使用pytorch实现图像边缘检测】

参考代码

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
import numpy as np

# 读取图片
img = Image.open('./number.jpg').resize((256,256))

# 设置卷积核参数
w = np.array([[-1,-1,-1], [-1,8,-1], [-1,-1,-1]], dtype='float32')
# 创建卷积算子，卷积核大小为3x3，并使用上面的设置好的数值作为卷积核权重的初始化参数
conv = Conv2D(kernel_size=3, stride=1, padding=0, 
                weight_attr=paddle.ParamAttr(initializer=nn.initializer.Assign(value=w)))

# 将读入的图片转化为float32类型的numpy.ndarray
inputs = np.array(img).astype('float32')
print("bf to_tensor, inputs:",inputs)
# 将图片转为Tensor
inputs = paddle.to_tensor(inputs)
print("bf unsqueeze, inputs:",inputs)
inputs = paddle.unsqueeze(inputs, axis=0)
print("af unsqueeze, inputs:",inputs)
outputs = conv(inputs)
outputs = outputs.numpy()
# 可视化结果
plt.figure(figsize=(8, 4))
f = plt.subplot(121)
f.set_title('input image', fontsize=15)
plt.imshow(img)
f = plt.subplot(122)
f.set_title('output feature map', fontsize=15)
plt.imshow(outputs.squeeze(), cmap='gray')
plt.savefig('conv-vis.pdf')
plt.show()

 

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选做题

Pytorch实现1、2；阅读3、4、5写体会。

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边缘检测系列1：传统边缘检测算子 - 飞桨AI Studio

实现一些传统边缘检测算子，如：Roberts、Prewitt、Sobel、Scharr、Kirsch、Robinson、Laplacian

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边缘检测系列2：简易的 Canny 边缘检测器 - 飞桨AI Studio

实现的简易的 Canny 边缘检测算法

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边缘检测系列3：【HED】 Holistically-Nested 边缘检测 - 飞桨AI Studio

复现论文 Holistically-Nested Edge Detection，发表于 CVPR 2015 

一个基于深度学习的端到端边缘检测模型。

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边缘检测系列4：【RCF】基于更丰富的卷积特征的边缘检测 - 飞桨AI Studio (baidu.com)

复现论文 Richer Convolutional Features for Edge Detection，CVPR 2017 发表

一个基于更丰富的卷积特征的边缘检测模型 【RCF】。

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边缘检测系列5：【CED】添加了反向细化路径的 HED 模型 - 飞桨AI Studio (baidu.com)

Crisp Edge Detection（CED）模型是前面介绍过的 HED 模型的另一种改进模型

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NNDL 实验5（上） - HBU_DAVID - 博客园 (cnblogs.com)

NNDL 实验5（下） - HBU_DAVID - 博客园 (cnblogs.com)

6. 卷积神经网络 — 动手学深度学习 2.0.0-beta1 documentation (d2l.ai)

7. 现代卷积神经网络 — 动手学深度学习 2.0.0-beta1 documentation (d2l.ai)