tensorflow 进阶 五 ---TensorFlow conv2d原理及实践

tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None, data_format=None, name=None)

官方教程说明：

给定四维的input和filter tensor，计算一个二维卷积

Args:

input: A Tensor. type必须是以下几种类型之一: half, float32, float64.
filter: A Tensor. type和input必须相同
strides: A list of ints.一维，长度4， 在input上切片采样时，每个方向上的滑窗步长，必须和format指定的维度同阶
padding: A string from: "SAME", "VALID". padding 算法的类型
use_cudnn_on_gpu: An optional bool. Defaults to True.
data_format: An optional string from: "NHWC", "NCHW"， 默认为"NHWC"。
指定输入输出数据格式，默认格式为"NHWC", 数据按这样的顺序存储：
[batch, in_height, in_width, in_channels]
也可以用这种方式："NCHW", 数据按这样的顺序存储：
[batch, in_channels, in_height, in_width]
name: 操作名，可选.

Returns:

A Tensor. type与input相同

Given an input tensor of shape [batch, in_height, in_width, in_channels]
and a filter / kernel tensor of shape
[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]

conv2d实际上执行了以下操作：

将filter转为二维矩阵，shape为
[filter_height * filter_width * in_channels, output_channels].
从input tensor中提取image patches，每个patch是一个virtual tensor，shape[batch, out_height, out_width, filter_height * filter_width * in_channels].
将每个filter矩阵和image patch向量相乘

具体来讲，当data_format为NHWC时：

output[b, i, j, k] =
    sum_{di, dj, q} input[b, strides[1] * i + di, strides[2] * j + dj, q] *
                    filter[di, dj, q, k]

input 中的每个patch都作用于filter，每个patch都能获得其他patch对filter的训练
需要满足strides[0] = strides[3] = 1. 大多数水平步长和垂直步长相同的情况下：strides = [1, stride, stride, 1].

下面举例来进行说明

在最基本的例子中，没有padding和stride = 1。让我们假设你的input和kernel有：

当您的内核您将收到以下输出：在此输入图像说明，它按以下方式计算：

14 = 4 * 1 + 3 * 0 + 1 * 1 + 2 * 2 + 1 * 1 + 0 * 0 + 1 * 0 + 2 * 0 + 4 * 1
6 = 3 * 1 + 1 * 0 + 0 * 1 + 1 * 2 + 0 * 1 + 1 * 0 + 2 * 0 + 4 * 0 + 1 * 1
6 = 2 * 1 + 1 * 0 + 0 * 1 + 1 * 2 + 2 * 1 + 4 * 0 + 3 * 0 + 1 * 0 + 0 * 1
12 = 1 * 1 + 0 * 0 + 1 * 1 + 2 * 2 + 4 * 1 + 1 * 0 + 1 * 0 + 0 * 0 + 2 * 1

TF的conv2d函数批量计算卷积，并使用稍微不同的格式。对于一个输入，它是[batch, in_height, in_width, in_channels]内核的[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]。所以我们需要以正确的格式提供数据：

import tensorflow as tf
k = tf.constant([
    [1, 0, 1],
    [2, 1, 0],
    [0, 0, 1]
], dtype=tf.float32, name='k')
i = tf.constant([
    [4, 3, 1, 0],
    [2, 1, 0, 1],
    [1, 2, 4, 1],
    [3, 1, 0, 2]
], dtype=tf.float32, name='i')
kernel = tf.reshape(k, [3, 3, 1, 1], name='kernel')
image  = tf.reshape(i, [1, 4, 4, 1], name='image')

res = tf.squeeze(tf.nn.conv2d(image, kernel, [1, 1, 1, 1], "VALID"))

pp=tf.nn.conv2d(image, kernel, [1, 1, 1, 1], "VALID")
# VALID means no padding
with tf.Session() as sess:

    print ('kernel=',sess.run(kernel))  
    print ('image=',sess.run(image))
    print('pp=',sess.run(pp))

    print ('res=',sess.run(res))

kernel= [[[[ 1.]]

  [[ 0.]]

  [[ 1.]]]


 [[[ 2.]]

  [[ 1.]]

  [[ 0.]]]


 [[[ 0.]]

  [[ 0.]]

  [[ 1.]]]]
image= [[[[ 4.]
   [ 3.]
   [ 1.]
   [ 0.]]

  [[ 2.]
   [ 1.]
   [ 0.]
   [ 1.]]

  [[ 1.]
   [ 2.]
   [ 4.]
   [ 1.]]

  [[ 3.]
   [ 1.]
   [ 0.]
   [ 2.]]]]
pp= [[[[ 14.]
   [  6.]]

  [[  6.]
   [ 12.]]]]
res= [[ 14.   6.]
 [  6.  12.]]

原文链接

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