深度学习的卷积运算（TensorFlow实现）

深度学习的卷积运算（TensorFlow实现）

深度学习网络中，很重要的一种提取特征的手段，就是运用卷积运算。
在TensorFlow中实现二维卷积的运算，使用的是tf.nn.conv2d()函数，这一篇文章，主要讲解的就是这一个函数实现的具体的运算。


实际的计算不难，但是一涉及到多通道时，可能会感觉有点复杂。其实，和单通道的计算是一样的，只是多通道是多个并列计算。

下面一个图，很清楚地显示了卷积的计算过程





实际上，就是输入图像的每个通道和卷积核的每个通道对应的进行相乘相加，然后每个通道的值又加起来，最后得到输出。

TensorFlwo实现卷积运算

TensorFlow中实现卷积运算的函数——tf.nn.conv2d()

函数形式（仅列出常用的参数）：

tf.conv2d(input, filter, strides, padding)

input - 输入的图（图像或者特征图，下面统称为图像）,其形式：[number, height, width, channels]

filter - 卷积核，其形式为：[height, width, in_channel, out_channel]。对于filter的参数，可以理解为：[卷积核的高，卷积核的宽，输入图像的通道数，卷积核的个数]，有多少个卷积核，就会有多少个输出

strides - [1,y方向的步长, x方向的步长, 1]

padding - ‘SAME’,’VALID’

---

下面编程实现：

#-*- coding:utf-8 -*-
import tensorflow as tf

input_x = tf.constant([
    [
        [[0.0, 1.0, 2.0],[1.0,1.0,0.0],[1.0,1.0,2.0],[2.0,2.0,0.0],[2.0,0.0,2.0]],
        [[0.0,0.0,0.0],[1.0,2.0,0.0],[1.0,1.0,1.0],[0.0,1.0,2.0],[0.0,2.0,1.0]],
        [[1.0,1.0,1.0],[1.0,2.0,0.0],[0.0,0.0,2.0],[1.0,0.0,2.0],[0.0,2.0,1.0]],
        [[1.0,0.0,2.0],[0.0,2.0,0.0],[1.0,1.0,2.0],[1.0,2.0,0.0],[1.0,1.0,0.0]],
        [[0.0,2.0,0.0],[2.0,0.0,0.0],[0.0,1.0,1.0],[1.0,2.0,1.0],[0.0,0.0,2.0]],
    ],
])
filters = tf.constant([
    [
        [[1.0,-1.0,0.0],[1.0,0.0,1.0],[-1.0,-1.0,0.0]],
        [[-1.0,0.0,1.0],[0.0,0.0,0.0],[1.0,-1.0,1.0]],
        [[-1.0,1.0,0.0],[-1.0,-1.0,-1.0],[0.0,0.0,1.0]],
    ],
])
bias = tf.constant(1.0,shape=[1])

filterinput = tf.reshape(filters, [3, 3, 3, 1])  # 将原始的filter转换成适合tf的输入的形式
res = tf.nn.conv2d(input_x, filterinput, strides=[1,2,2,1], padding='SAME')+bias

sess = tf.Session()
##print("result shape:", res.shape)
print(sess.run(res[:,:,:,0]))

最后结果：

思考:程序中是使用SAME的padding方式，若使用VALID呢？
答：由于不补零，卷积核的中心并不能遍历输入的图像，也就是说，滑动的范围减少。具体来讲，SAME的方式，由于补零，卷积核的第一个通道第一次滑动的中心，是在输入图像左上角的0开始的；而选择’VALID’之后，不会补零，则第一个滑动中心是之前0右下角的那个1。VALID的结果：

结语

之前使用深度学习网络，只是直接调用接口，对卷积的概念不是很清楚，特别是遇到多通道的情况。理清思路之后，感觉对深度网络提取特征的方法有了一点理解，也熟悉了tf实现卷积的方式，在看大牛写网络的时候，感觉更加清晰吧！