计算机视觉:转置卷积

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转置卷积



转置卷积(Transposed Convolution),也称为反卷积(Deconvolution),是卷积神经网络(CNN)中的一种操作,它可以将一个低维度的特征图(如卷积层的输出)转换为更高维度的特征图(如上一层的输入)。转置卷积操作通常用于图像分割、生成对抗网络(GAN)和语音识别等任务中。

在传统卷积操作中,我们使用一个滑动窗口(卷积核)来从输入图像中提取特征。而在转置卷积中,我们使用一个滑动窗口来填充零值的输出图像,然后通过卷积核来计算输出图像中每个像素的值。这个过程可以看作是对输入特征图进行上采样(增加分辨率)的过程。

具体来说,假设我们有一个输入特征图 X X X,大小为 N × N × C N\times N\times C N×N×C,其中 N N N 是特征图的宽和高, C C C 是特征图的通道数。我们还有一个大小为 K × K K\times K K×K 的卷积核 W W W,其中 K K K 是卷积核的大小。转置卷积的输出特征图 Y Y Y 的大小为 ( N + 2 P − K + 1 ) × ( N + 2 P − K + 1 ) × C ′ (N+2P-K+1)\times(N+2P-K+1)\times C' (N+2PK+1)×(N+2PK+1)×C,其中 P P P 是填充大小, C ′ C' C 是输出特征图的通道数。转置卷积的计算方式可以表示为:

Y i , j , k = ∑ u = 0 K − 1 ∑ v = 0 K − 1 ∑ c ′ = 1 C ′ X i + u , j + v , c W u , v , c ′ , k Y_{i,j,k} = \sum_{u=0}^{K-1}\sum_{v=0}^{K-1}\sum_{c'=1}^{C'} X_{i+u,j+v,c}W_{u,v,c',k} Yi,j,k=u=0K1v=0K1c=1CXi+u,j+v,cWu,v,c,k

其中 i , j i,j i,j 是输出特征图中的坐标, k k k 是输出特征图中的通道数, u , v u,v u,v 是卷积核中的坐标, c c c 是输入特征图中的通道数, c ′ c' c 是输出特征图中的通道数。

需要注意的是,转置卷积的输出特征图大小取决于填充大小 P P P,因此要根据具体的应用场景和网络结构来确定填充大小。另外,转置卷积还可以通过调整步长(stride)来控制输出特征图的大小。如果步长为 S S S,则输出特征图的大小为 ( N − 1 ) × S + K − 2 P (N-1)\times S+K-2P (N1)×S+K2P

基本操作

让我们暂时忽略通道,从基本的转置卷积开始,设步幅为1且没有填充。 假设我们有一个 n h × n w n_h\times n_w nh×nw的输入张量和一个 k h × k w k_h\times k_w kh×kw的卷积核。 以步幅为1滑动卷积核窗口,每行 n h n_h nh次,每列 n w n_w nw次,共产生 n h × n w n_h\times n_w nh×nw个中间结果。 每个中间结果都是一个 ( n h × k h − 1 ) × ( n w × k w − 1 ) (n_h\times k_h-1)\times (n_w\times k_w-1) (nh×kh1)×(nw×kw1)的张量,初始化为0。 为了计算每个中间张量,输入张量中的每个元素都要乘以卷积核,从而使所得的 k h × k w k_h\times k_w kh×kw张量替换中间张量的一部分。 请注意,每个中间张量被替换部分的位置与输入张量中元素的位置相对应。 最后,所有中间结果相加以获得最终结果。

举个例子如下:
计算机视觉:转置卷积
我们可以对输入矩阵X和卷积核矩阵K实现基本的转置卷积运算trans_conv。

def trans_conv(X, K):
    h, w = K.shape
    Y = torch.zeros((X.shape[0] + h - 1, X.shape[1] + w - 1))
    for i in range(X.shape[0]):
        for j in range(X.shape[1]):
            Y[i: i + h, j: j + w] += X[i, j] * K
    return Y
X = torch.tensor([[0.0, 1.0], [2.0, 3.0]])
K = torch.tensor([[0.0, 1.0], [2.0, 3.0]])
trans_conv(X, K)

计算机视觉:转置卷积

或者使用torch自带的API:

X, K = X.reshape(1, 1, 2, 2), K.reshape(1, 1, 2, 2)
tconv = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=2, bias=False)
tconv.weight.data = K
tconv(X)

计算机视觉:转置卷积
nn.ConvTranspose2d 是 PyTorch 中用于创建转置卷积层的函数,它有以下参数:

in_channels:输入特征图的通道数。
out_channels:输出特征图的通道数。
kernel_size:卷积核的大小。可以是一个整数(表示正方形卷积核的边长),也可以是一个长度为 2 的元组或列表(表示长方形卷积核的宽和高)。
stride:卷积核的步长。可以是一个整数(表示在宽度和高度上的步长相同),也可以是一个长度为 2 的元组或列表(表示在宽度和高度上的步长分别为多少)。
padding:填充大小。可以是一个整数(表示在宽度和高度上的填充大小相同),也可以是一个长度为 2 的元组或列表(表示在宽度和高度上的填充大小分别为多少)。
output_padding:输出特征图的填充大小。可以是一个整数(表示在宽度和高度上的填充大小相同),也可以是一个长度为 2 的元组或列表(表示在宽度和高度上的填充大小分别为多少)。默认为 0。
groups:输入和输出通道之间的分组数。通常将其设置为 1,表示不进行通道分组。如果设置为大于 1 的值,则表示在输入和输出通道之间进行分组卷积。
bias:是否使用偏置。默认为 True,表示使用偏置。如果设置为 False,则不使用偏置。
dilation:卷积核的膨胀率。可以是一个整数(表示在宽度和高度上的膨胀率相同),也可以是一个长度为 2 的元组或列表(表示在宽度和高度上的膨胀率分别为多少)。默认为 1,表示不进行膨胀卷积。

填充、步幅和多通道

与常规卷积不同,在转置卷积中,填充被应用于的输出(常规卷积将填充应用于输入)。 例如,当将高和宽两侧的填充数指定为1时,转置卷积的输出中将删除第一和最后的行与列。

tconv = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=2, padding=1, bias=False)
tconv.weight.data = K
tconv(X)

计算机视觉:转置卷积
在转置卷积中,步幅被指定为中间结果(输出),而不是输入。 使用上图中相同输入和卷积核张量,将步幅从1更改为2会增加中间张量的高和权重,因此输出张量在如下图:
计算机视觉:转置卷积

tconv = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=2, stride=2, bias=False)
tconv.weight.data = K
tconv(X)

计算机视觉:转置卷积对于多个输入和输出通道,转置卷积与常规卷积以相同方式运作。 假设输入有 c i c_i ci个通道,且转置卷积为每个输入通道分配了一个 k h × k w k_h\times k_w kh×kw的卷积核张量。 当指定多个输出通道时,每个输出通道将有一个 c i × k h × k w c_i\times k_h\times k_w ci×kh×kw的卷积核。

性质

如果我们将 X X X代入卷积层 f f f来输出 Y = f ( X ) Y=f(X) Y=f(X),并创建一个与 f f f具有相同的超参数、但输出通道数量是 X X X中通道数的转置卷积层 g g g,那么 g ( Y ) g(Y) g(Y)的形状将与 X X X相同。 下面的示例可以解释这一点。

X = torch.rand(size=(1, 10, 16, 16))
conv = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5, padding=2, stride=3)
tconv = nn.ConvTranspose2d(20, 10, kernel_size=5, padding=2, stride=3)
tconv(conv(X)).shape == X.shape

这个性质揭示了为什么这个操作被称为反卷积,因为它和卷积操作互逆

注意
1.数值不同,不可逆,形状可逆
2.效率高。原因:
①普通卷积操作的前向传播通过矩阵乘法一次实现,而非形式上的卷积核进行卷积并平移
②普通卷积操作的反向传播是输入乘转置权重矩阵
③上述代码表明,转置卷积作用实质上也是矩阵乘法,其前向传播为普通卷积的反向传播,反向传播同理文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-479847.html

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