tf.nn.conv2d()详解

tf.nn.conv2d是TensorFlow里面实现卷积的函数,参考文档对它的介绍并不是很详细,实际上这是搭建卷积神经网络比较核心的一个方法,非常重要。

tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None, name=None)
除去name参数用以指定该操作的name,与方法有关的一共五个参数:

第一个参数input:指需要做卷积的输入图像,它要求是一个Tensor,具有[batch, in_height, in_width, in_channels]这样的shape ,具体含义是[训练时一个batch的图片数量, 图片高度, 图片宽度, 图像通道数],注意这是一个4维的Tensor,要求类型为float32和float64其中之一

第二个参数filter:相当于CNN中的卷积核,它要求是一个Tensor,具有[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]这样的shape,具体含义是[卷积核的高度,卷积核的宽度,图像通道数,卷积核个数],要求类型与参数input相同,有一个地方需要注意,第三维in_channels,就是参数input的第四维

第三个参数strides:卷积时在图像每一维的步长,这是一个一维的向量,长度4

第四个参数padding:string类型的量,只能是"SAME","VALID"其中之一,这个值决定了不同的卷积方式(后面会介绍)

第五个参数:use_cudnn_on_gpu:bool类型,是否使用cudnn加速,默认为true

结果返回一个Tensor,这个输出,就是我们常说的feature map,shape仍然是[batch, height, width, channels]这种形式。

那么TensorFlow的卷积具体是怎样实现的呢,用一些例子去解释它:

1.考虑一种最简单的情况,现在有一张3×3单通道的图像(对应的shape:[1,3,3,1]),用一个1×1的卷积核(对应的shape:[1,1,1,1])去做卷积,最后会得到一张3×3的feature map

2.增加图片的通道数,使用一张3×3五通道的图像(对应的shape:[1,3,3,5]),用一个1×1的卷积核(对应的shape:[1,1,1,1])去做卷积,仍然是一张3×3的feature map,这就相当于每一个像素点,卷积核都与该像素点的每一个通道做卷积。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([1,1,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

3.把卷积核扩大,现在用3×3的卷积核做卷积,最后的输出是一个值,相当于情况2的feature map所有像素点的值求和

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

4.使用更大的图片将情况2的图片扩大到5×5,仍然是3×3的卷积核,令步长为1,输出3×3的feature map

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

5.如果卷积核有多个

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')

此时输出7张5×5的feature map
6.步长不为1的情况,文档里说了对于图片,因为只有两维,通常strides取[1,stride,stride,1]

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))

filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

此时,输出7张3×3的feature map
7.如果batch值不为1,同时输入10张图

input = tf.Variable(tf.random_normal([10,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

每张图,都有7张3×3的feature map,输出的shape就是[10,3,3,7]

最后把程序总结一下:

import tensorflow as tf
tfe = tf.contrib.eager
tfe.enable_eager_execution()

input_arg = tf.ones([1, 3, 3, 5])
filter_arg = tf.ones([1, 1, 5, 1])
op = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1, 1, 1, 1],
                   use_cudnn_on_gpu=False, padding='VALID')

print(op)

输出结果:

tf.Tensor(
[[[[5.]
   [5.]
   [5.]]

  [[5.]
   [5.]
   [5.]]

  [[5.]
   [5.]
   [5.]]]], shape=(1, 3, 3, 1), dtype=float32)

Process finished with exit code 0

更改里面的参数,即可观察卷积输出的值和维度。

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