关于在tensorflow中实现一般的卷积,可以参考:
由于一般cnn在昨晚卷积之后会对feature map进行downSampling,这样会造成一定的信息丢失.那么空洞卷积就是没有pooling层,同时可以扩大感受野(如上知乎的讲解)
接下来,我用tensorflow的api来介绍一下空洞卷积的发生过程。
tf.nn.atrous_conv2d(value,filters,rate,padding,name=None)
这是tensorflow的空洞卷积的api,value和filter是输入和卷积核.详细可参考:
rate:在一般的cnn的api中,会有stride这个参数,但是在空洞卷积里面是没有的.这个参数是扩大采样间隔,即在卷积核中插入rate-1个´0´得到新的卷积核,当rate=1时,新的卷积核和旧的相同,卷积过程等同于安普通的卷积过程.
padding:这个和是之前的一样.
接下来用一个例子来说明空洞卷积的过程:
如下三张通道图(5*5):
即input:
| 0 | 1 | 1 | 2 | 2 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 2 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 2 | 0 |
| 0 | 2 | 1 | 1 | 2 |
| 1 | 2 | 0 | 0 | 2 |
| 0 | 2 | 1 | 2 | 1 |
| 2 | 0 | 1 | 2 | 0 |
| 2 | 0 | 2 | 0 | 2 |
| 0 | 0 | 1 | 2 | 1 |
| 1 | 0 | 2 | 2 | 1 |
| 2 | 0 | 2 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 2 |
三个滤波器(3*3):
| -1 | -1 | 0 |
| -1 | 1 | 0 |
| -1 | 1 | 0 |
| 1 | -1 | 0 |
| -1 | 0 | -1 |
| -1 | 0 | 0 |
| -1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | -1 | 0 |
接下来,我们看取rate=1和rate=2两种情况来说明,这里padding选取´SAME´,取´VALID´原理一样。
当rate=1,此时的卷积过程和普通卷积过程是一样的.
最终输出的结果是:
接下来着重讲rate=2:
当rate=2时,之前的卷积核,需要在每个点中间插入1个´0´,于是乎,之前的卷积核就是如下图所示:
以上就是新的卷积核。根据公式计算出新的输入需要pad的像素点:
padding=´SAME´:
new_width = 5:
需要pad的像素点是(new_width-1)*S + F - W
S=1(在后面的卷积过程中,滤波器每次只移动一步)
F = 5(新卷积核的size=5*5)
W = 5(输入的size=5*5)
因此需要pad的像素点是4,上下各一半都为2,因此输入的矩阵就变成了如下所示的:
然后用新的卷积核和新的输入,进行卷积,求和,最后得到的结果是:
import tensorflow as tfimport numpy as npinput_data=[ [[0,1,1,2,2], [0,1,1,0,0], [1,1,0,1,0], [1,0,1,1,1], [0,2,0,1,0]], [[1,1,1,2,0], [0,2,1,1,2], [1,2,0,0,2], [0,2,1,2,1], [2,0,1,2,0]], [[2,0,2,0,2], [0,0,1,2,1], [1,0,2,2,1], [2,0,2,0,0], [0,0,1,1,2]] ]weights_data=[ [[ -1, -1, 0], [-1, 1, 0], [ -1,1, 0]], [[1, -1, 0], [ -1, 0, -1], [ -1, 0, 0]], [[-1, 0, 1], [ 1, 0, 1], [ 0, -1, 0]] ]def get_shape(tensor): [s1,s2,s3]= tensor.get_shape() s1=int(s1) s2=int(s2) s3=int(s3) return s1,s2,s3def chw2hwc(chw_tensor): [c,h,w]=get_shape(chw_tensor) cols=[] for i in range(c): #每个通道里面的二维数组转为[w*h,1]即1列 line = tf.reshape(chw_tensor,[h*w,1]) cols.append(line) #横向连接,即将所有竖直数组横向排列连接 input = tf.concat(cols,1)#[w*h,c] #[w*h,c]-->[h,w,c] input = tf.reshape(input,[h,w,c]) return inputdef hwc2chw(hwc_tensor): [h,w,c]=get_shape(hwc_tensor) cs=[] for i in range(c): #[h,w]-->[1,h,w] channel=tf.expand_dims(hwc_tensor[:,:,i],0) cs.append(channel) #[1,h,w]...[1,h,w]---->[c,h,w] input = tf.concat(cs,0)#[c,h,w] return inputdef tf_dilatedConv2d(input,weights,rate,pad): conv = tf.nn.atrous_conv2d(input, weights, rate, pad) return convdef main(): const_input = tf.constant(input_data , tf.float32) const_weights = tf.constant(weights_data , tf.float32 ) input = tf.Variable(const_input,name="input") #[3,5,5]------>[5,5,3] input=chw2hwc(input) #[5,5,3]------>[1,5,5,32] input=tf.expand_dims(input,0) weights = tf.Variable(const_weights,name="weights") #[3,3,3]-->[3,3,3] weights=chw2hwc(weights) #[3,3,3]-->[3,3,3,1] weights=tf.expand_dims(weights,3) #[b,h,w,c] conv=tf_dilatedConv2d(input,weights,1,´SAME´) rs=hwc2chw(conv[0]) init=tf.global_variables_initializer() sess=tf.Session() sess.run(init) conv_val = sess.run(rs) print(´rate=1:´) print(conv_val[0]) conv=tf_dilatedConv2d(input,weights,2,´SAME´) rs=hwc2chw(conv[0]) init=tf.global_variables_initializer() sess=tf.Session() sess.run(init) conv_val = sess.run(rs) print(´rate=2:´) print(conv_val[0]) if __name__==´__main__´: main()
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