.ai | 神经网络中的卷积及其参数

在读 PyTorch 的文档和源码的时候，发现写文档的人也不怎么解释啥是卷积，卷积的各个参数是什么意思，只在文档里扔了个链接就完事了，链接那头是一个 GitHub 上的动图演示仓库，是一篇论文《A guide to convolution arithmetic for deep learning》（链接在文末）的附件。于是这篇文章，基本上就是论文的读书笔记了。

数学的卷积：连续 vs. 离散

连续的情况，两个单变量函数 f(⋅)f(⋅) 和 g(⋅)g(⋅) 的卷积，定义为：

(f∗g)(x):=∫∞−∞f(τ)g(x−τ)dτ(f∗g)(x):=∫−∞∞f(τ)g(x−τ)dτ

离散的情况，两个向量（也就是一阶张量） ⃗ff→ 和 ⃗gg→ 的卷积，定义为：

(⃗f∗⃗g)i:=∞∑j=−∞fjgi−j(f→∗g→)i:=∑j=−∞∞fjgi−j

多变量函数/高阶张量的情况，只需要多加几重积分/求和号就可以类推了。

看这两个定义——

只看等号左边的话，可以把卷积看作是一种特殊的乘法，也就是一种运算。f 和 g 的地位是平等的，卷积甚至还满足交换律，你甚至可以把两者的顺序变一变；

但是看等号右边的话，卷积就应该被看作是一种变换。f 和 g 的地位不再平等，f 是被变换的函数/向量，g 是变换的核 (kernel)。函数的情况里，g 把定义在 ττ 空间里的函数 f 变换成了 x 空间里的另一个函数；向量的情况里，g 把一个 J (j 所有可能取值的数量) 维向量 f 变换成了一个 I (i 所有可能取值的数量) 维向量。

神经网络中的卷积，借用的主要是第二种理解。

手算一个例子

例如 ⃗f=(1,2,3,4)f→=(1,2,3,4), ⃗g=(1,2,3)g→=(1,2,3)，而且约定下标从 0 开始的话——

  (⃗f∗⃗g)0=f0g0=1(f→∗g→)0=f0g0=1

  (⃗f∗⃗g)1=f0g1+f1g0=4(f→∗g→)1=f0g1+f1g0=4

  (⃗f∗⃗g)2=f0g2+f1g1+f2g0=10(f→∗g→)2=f0g2+f1g1+f2g0=10

  (⃗f∗⃗g)3=f1g2+f2g1+f3g0=16(f→∗g→)3=f1g2+f2g1+f3g0=16

  (⃗f∗⃗g)4=f2g2+f3g1=17(f→∗g→)4=f2g2+f3g1=17

  (⃗f∗⃗g)5=f3g2=12(f→∗g→)5=f3g2=12

不想手算？

import numpy as np
from scipy import signal
signal.convolve(np.array([1,2,3,4]),np.array([1,2,3]))

形象化表示

上面的计算过程，可以看作是——

1. 把 g 向量的顺序反过来；
2. 把 g 的最右一个元素和 f 的最左元素对齐，
3. 上下两行都有数字的列相乘（也就是把没有数字的地方看作 0），然后把所有乘积相加，得到 f*g 的第一项；
4. 把 g 向右移动一格
5. 重复第3、4步
6. 直到 g 的最左项移动到 f 的最右一个元素。

形如下列各表：

机器学习的卷积，是卷积吗？

看论文给出的图 Figure 1.1，在卷积核是灰色 3*3 矩阵的情况下，对蓝色 5*5 矩阵的卷积就是直接把核对齐到蓝色矩阵上，并没有把核的元素顺序颠倒过来。

这玩意能叫卷积吗？

有人强行挽尊，说我们画图示的时候已经把核给颠倒过来了，想知道卷积核就把灰色小矩阵再颠倒回去——

但是，不颠倒就对齐相乘的运算也是有名字的，叫 cross correlation。核有没有颠倒，convolution 还是 cross correlation 一组合，可以带来升维打击般的混乱，堪比高中化学的“还原剂被氧化，氧化剂被还原”……所以，对于计算机专业的数学水平，不予置评～

（你这样纠缠有意思吗？.jpg）

卷积torch.nn.Conv 及其各个参数

in_channels & out_channels

“卷积”的意义在于用一种比较省内存的方式，考虑输入张量中各个元素，和空间上相近的邻居元素之间的关系。所以只需要在真的存在空间关系的维度做卷积，其他维度可以留着不动。

比如一张彩色图片，是一个 (颜色高度宽度) 的 3 阶张量，我们只需要对高度和宽度两个维度做卷积，颜色就是不参与“卷积”的 channel。

in_channel 就是被“卷积”的张量的 channel 数，out_channel 是“卷积”结果的 channel 数。比如我们想从一张 RGB 三色图片中分辨出前景和背景两种不同区域，in_channel=3, out_channel=2。

而 in_channel 如何能够与 out_channel 取值不同，原理见 Figure 1.3。我们使用 out_channel 个不含 channel 维度的“卷积”核，每一个核都与每一个 in channel 做卷积，得到图中的蓝、紫色小矩阵，然后直接把不同的 in channel 暴力求和，得到的结果分别作为卷积结果的 out channel。（这个暴力求和与我以前想得不一样，我以为是什么每一元素都做了一个in_channel*out_channel 的全联通层）

PyTorch 的习惯，对于一个 N 阶“卷积”，参与卷积的是张量的最后 N 阶，in_channel 和 out_channel 也就是被卷张量和卷积结果的 Tensor.shape[-(N+1)]

后面图示的例子都没有考虑 in_channel 和 out_channel 的数量，也就是都当作 1 了。

kernel_size

就是灰色矩阵“卷积”核，每边有几个数字。如果不同方向的边长不一，该参数就需要用一个 tuple 来表示。Figure 1.1 的灰色卷积核，kernel_size=(3,3)

padding & padding_mode

前面手算例子的时候很鸡贼地把 0 作为向量下标的起点。如果采用日常 1 开头的下标来算，第 1 项结果为零，整个卷积结果的长度会长很多，而且多出来的后面几项也都是零。

而且在这个过程中，我们实际上是把一个有限长度的向量，看作了一个以所有整数 \Z\Z 为定义域的函数，除了那有限的几项之外，其余地方都定义函数值为 0。

用计算机计算的话显然没法如此奢侈地谈“无限多个”，例子中实际用到的，在 ⃗ff→ 左右两边各需要 2 个 0，也就是说 padding=2, padding_mode='zeros'

Figure 1.2 表示的就是 padding=(1,1) 的情况（蓝色是被卷张量，白色是 padding，灰色是卷积核，绿色是卷积结果）：

既然神经网络中的卷积并不是真正的卷积，所以他们索性不装了——

正常卷积的结果往往比被卷张量大一圈（具体大多少取决于 kernel_size, padding, stride 多个参数），但是图像处理的时候经常希望输出图片和输入图片一样大，此时可以用字符串 “same” 作为 padding 的参数，自动计算 padding 的大小。“strict” 则表示 padding=0, 这样输出图片尺寸会变小，但是没有 padding，也就没有往图片里掺杂研究者对图片边缘以外信息的臆测。

同时 padding_mode 参数表示往被卷张量四周填充的数字也不一定是 0。比如对于图片，0 往往表示纯黑，而绝大多数图片的视野之外，往往是和图片边缘像素值相差不大的值。所以 padding_mode 除了 zeros 之外，还接受以下取值：

• reflect: 以图片边缘为镜面，把边缘附近的像素值对陈反射出去；
• replicate: 只取边缘的像素值作为常数，直接向外延拓；
• circular: 类似于物理中的周期性边界条件，取对边附近的像素值作为 padding 内容。

stride

前面手算卷积的第4步，把卷积核向右移动了1格，如果每次移动超过1格，就需要这个参数指定移动步长。如果不同方向的步长不同，也是用 tuple 来表示。

Figure 1.4 表示的就是 stride=(2,2) 的情况（蓝色是被卷张量，蓝色中的深色块是卷积核，绿色是卷积结果）：

dilation

这个参数把“卷积”核撑开，也就相当于在“卷积”核的相邻元素之间加 0。Figure 1.5 表示的就是 dilation=(1,1) 的情况（蓝色是被卷张量，蓝色中的深色块是卷积核，绿色是卷积结果）：

比如 dilation=1 时，(1,2,3) 的卷积核就相当于 (1,0,2,0,3)

比如 dilation=2 时，(1,2,3) 的卷积核就相当于 (1,0,0,2,0,0,3)

这样可以让卷积核在尺寸比较小的情况下，覆盖到更大面积的被卷张量。当然具体实现时，不可能直接补 0 这么浪费内存。

groups

该参数必须是 in_channel 和 out_channel 的公约数，当其不为 1 时，就相当于同时做 groups 个卷积，其中每个卷积的 in_channel=in_channel/groups, out_channel=out_channel/groups

bias

该参数是一个布尔值，卷积类似于一种高维空间里的乘法，这个参数就决定是否要拟合 y=kx+b 中的 b

“卷积”的“逆运算”： TransposeConv

卷积的结果比 padding 之后的被卷张量要小。尤其当“卷积”的 stride 约等于 kernel_size 时，卷积的就变成了某些池化 (pooling)（求最大值不是一种线性算子，所以最大值池化不能用卷积表示，但是平均值池化可以）。

那么在类似 U-net 这样的模型里，右半边的数据升维（下图中的绿箭头），就需要一种“卷积”的“逆运算”。有人把这种运算叫做 deconvolution，有人叫做 transposed convolution，还有人叫做 convolution with fractional strides。

PyTorch 取的是第二种名字。论文解释了为什么这么取名字，笔记以后有时间再补上把……

因为这个与运算本身就是作为“卷积”的逆运算出现的，所以 PyTorch 的文档里这么说：

This is set so that when a Conv2d and a ConvTranspose2d are initialized with same parameters, they are inverses of each other in regard to the input and output shapes.

也就是说，把 ConvTranspose 的输入和输出反过来，然后按照 Conv 的规则确定各个参数，填入 ConvTranspose 的括号里就可以了，除了 output_padding

output_padding

ConvTranspose 的输出就是对应 Conv 的输入。看 Figure 2.7：

当 (input+2∗padding)/stride(input+2∗padding)/stride 不能整除的时候，最右的几列最下的几行就被卷积核忽略掉了。那么在逆运算 TransposeConv 中，这就意味着同一个输入可能对应着 stride−1stride−1 种可能的输出。output_padding参数就可以消除这种歧义，调整 TransposeConv 输出张量的尺寸。