pytorch中的卷積操作詳解

首先說下pytorch中的tensor通道排列順序是：[batch, channel, height, width]

我們常用的卷積（conv2d）在pytorch中對應的函式是：

torch.nn.conv2d(in_channels, 
out_channels, 
kernel_size, 
stride=1, 
padding=0, 
dilation=1, 
groups=1, 
bias=true, 
padding_mode='zeros')

其中，in_channels引數代表輸入特徵矩陣的深度即channel，比如輸入一張rgb彩色影象，那in_channels=3

out_channels引數代表卷積核的個數，使用n個卷積核輸出的特徵矩陣深度即channel就是n

kernel_size引數代表卷積核的尺寸，輸入可以是int型別如3 代表卷積核的height=width=3，也可以是tuple型別如(3, 5)代表卷積核的height=3，width=5

stride引數代表卷積核的步距預設為1，和kernel_size一樣輸入可以是int型別，也可以是tuple型別

padding引數代表在輸入特徵矩陣四周補零的情況預設為0，同樣輸入可以為int型如1 代表上下方向各補一行0元素，左右方向各補一列0畫素（即補一圈0），如果輸入為tuple型如(2, 1) 代表在上方補兩行下方補兩行，左邊補一列，右邊補一列。可見下圖，padding[0]是在h高度方向兩側填充的，padding[1]是在w寬度方向兩側填充的：

注意：如果要實現更靈活的padding方式，可使用nn.zeropad2d方法。

bias引數表示是否使用偏置（預設使用）

dilation、groups是高階用法這裡不做講解，如有需要可以參看官方文件

在卷積操作過程中，我們知道矩陣經卷積操作後的尺寸由以下幾個因數決定：

輸入大小 w×w

filter大小 f×f

步長 s

padding的畫素數 p

經卷積後的矩陣尺寸大小計算公式為：

n = (w − f + 2p ) / s + 1

但在實際應用中，有時會出現n為非整數的情況（例如在alexnet，googlenet網路的第一層輸出），再例如輸入的矩陣h=w=5，卷積核的f=2，s=2，padding=1。經計算我們得到的n =（5 - 2 + 2*1）/ 2 +1 = 3.5此時在pytorch中是如何處理呢，先直接告訴你結論：在卷積過程中會直接將最後一行以及最後一列給忽略掉，以保證n為整數，此時n = （5 - 2 + 2*1 - 1）/ 2 + 1 = 3，接下來我們來看個簡單的例項：

（1）首先使用torch中的隨機函式生成乙個batch_size為1，channel為1，高和寬都等於5的矩陣

（2）接著我們定義乙個卷積核，input_size=1, output_size=1, kernel_size=2, stride=2, padding=1

（3）然後我們使用該卷積核對我們生成的隨機矩陣進行卷積操作

（4）列印各引數的數值

import torch.nn as nn
import torch
im = torch.randn(1, 1, 5, 5)
c = nn.conv2d(1, 1, kernel_size=2, stride=2, padding=1)
output = c(im)
print(im)
print(output)
print(list(c.parameters()))

通過計算我們知道輸出矩陣尺寸應該為n =（5 - 2 + 2*1）/ 2 +1 = 3.5，但實際的列印資訊如下：

# im
tensor([[[[-0.2146,  0.3375,  2.7877,  0.2052, -0.4651],
[-0.2261,  0.0116, -0.6255,  1.2523, -1.0565],
[-1.9227, -0.2575, -0.7725,  0.5658,  0.0717],
[ 0.8153, -1.3656, -0.1844,  0.1573, -0.2235],
[ 0.0184, -0.0475,  0.2359,  0.0127,  2.0665]]]])
# output
tensor([[[[-0.0467, -1.1766, -0.0450],
[ 0.5063,  0.1971, -1.0401],
[-0.0748,  0.4769, -0.8986]]]], grad_fn=)
# conv2d:parameters
[parameter containing:
tensor([[[[-0.4872,  0.0604],
[-0.3968, -0.3317]]]], requires_grad=true), parameter containing:
tensor([-0.1179], requires_grad=true)]

通過分析，我們可以知道真正的輸出矩陣尺寸是3x3，那內部具體是如何操作的呢，

（1）首先進行padding的填充，size：7 x 7

[0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000],
[0.0000, -0.2146,  0.3375,  2.7877,  0.2052, -0.4651,  0.0000],
[0.0000, -0.2261,  0.0116, -0.6255,  1.2523, -1.0565,  0.0000],
[0.0000, -1.9227, -0.2575, -0.7725,  0.5658,  0.0717,  0.0000],
[0.0000,  0.8153, -1.3656, -0.1844,  0.1573, -0.2235,  0.0000],
[0.0000,  0.0184, -0.0475,  0.2359,  0.0127,  2.0665,  0.0000],
[0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000]

（2）通過計算發現輸出為非整數，為了得到整數，將最後一行以及最後一列刪除掉，size：6 x 6

[0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000],
[0.0000, -0.2146,  0.3375,  2.7877,  0.2052, -0.4651],
[0.0000, -0.2261,  0.0116, -0.6255,  1.2523, -1.0565],
[0.0000, -1.9227, -0.2575, -0.7725,  0.5658,  0.0717],
[0.0000,  0.8153, -1.3656, -0.1844,  0.1573, -0.2235],
[0.0000,  0.0184, -0.0475,  0.2359,  0.0127,  2.0665]

（3）接著使用卷積核進行卷積操作，就能得到我們的輸出矩陣，需要注意的是pytorch中的卷積預設是帶有bias的，所以計算卷積後需要加上bias偏量。例如輸出的第乙個值的計算過程如下：

[0.0000,  0.0000],        [-0.4872,  0.0604],
卷積                        加上  [-0.1179]
[0.0000, -0.2146]         [-0.3968, -0.3317]
# 即（0*（-0.4872）+ 0*（0.0604）+ 0*（-0.3968）+（-0.2146）*（-0.3317））+（-0.1179）= -0.0467

我們的計算結果與pytorch的輸出相同，我們只計算了其中乙個值，其他的值也一樣：

# output
tensor([[[[-0.0467, -1.1766, -0.0450],
[ 0.5063,  0.1971, -1.0401],
[-0.0748,  0.4769, -0.8986]]]], grad_fn=)

通過我們的實驗可以發現，在pytorch的卷積過程中，當通過

n = (w − f + 2p ) / s + 1計算式得到的輸出尺寸非整數時，會通過刪除多餘的行和列來保證卷積的輸出尺寸為整數。

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pytorch實現Sep conv卷積操作

pytorch 自定義卷積核進行卷積操作

PyTorch中的topk函式詳解

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