TensorFlow实现卷积，tf.nn.conv2d介绍

蔚落 2022-05-19 11:24 222阅读 0赞

### CNN中的channels 该如何理解？ ###

首先，是 tensorflow 中给出的，对于输入样本中 channels 的含义。一般的RGB图片，channels 数量是 3 （红、绿、蓝）；而monochrome图片，channels 数量是 1 。

如下图，假设现有一个为 6×6×3 的图片样本，使用 3×3×3 的卷积核（filter）进行卷积操作。此时输入图片的 channels 为 3 ，而卷积核中的 in\_channels 与 需要进行卷积操作的数据的 channels 一致（这里就是图片样本，为3）。  
![这里写图片描述][SouthEast]

接下来，进行卷积操作，卷积核中的27个数字与分别与样本对应相乘后，再进行求和，得到第一个结果。依次进行，最终得到 4×4 的结果。  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

上面步骤完成后，由于只有一个卷积核，所以最终得到的结果为 4×4×1 ， out\_channels 为 1 。

在实际应用中，都会使用多个卷积核。这里如果再加一个卷积核，就会得到 4×4×2 的结果。  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

### tf.nn.conv2d ###

`tf.nn.conv2d`是TensorFlow里面实现卷积的函数，参考文档对它的介绍并不是很详细，实际上这是搭建卷积神经网络比较核心的一个方法，非常重要

![这里写图片描述][SouthEast 3]  
`tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None, name=None)`  
除去name参数用以指定该操作的name，与方法有关的一共五个参数：  
`input`：指需要做卷积的输入图像，它要求是一个Tensor，具有\[batch, in\_height, in\_width, in\_channels\]这样的shape，具体含义是\[训练时一个batch的图片数量, 图片高度, 图片宽度, 图像通道数\]，注意这是一个4维的Tensor，要求类型为float32和float64其中之一

`filter`：相当于CNN中的卷积核，它要求是一个Tensor，具有\[filter\_height, filter\_width, in\_channels, out\_channels\]这样的shape，具体含义是\[卷积核的高度，卷积核的宽度，图像通道数，卷积核个数\]，要求类型与参数input相同，有一个地方需要注意，第三维in\_channels，就是参数input的第四维

`strides`：卷积时在图像每一维的步长，这是一个一维的向量，长度4

`padding`：string类型的量，只能是”SAME”,”VALID”其中之一，这个值决定了不同的卷积方式（后面会介绍）

`use_cudnn_on_gpu`: bool类型，是否使用cudnn加速，默认为true

结果返回一个Tensor，这个输出，就是我们常说的feature map

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### 那么TensorFlow的卷积具体是怎样实现的呢，用一些例子去解释它： ###

1.考虑一种最简单的情况，现在有一张3×3单通道的图像（对应的shape：\[1，3，3，1\]），用一个1×1的卷积核（对应的shape：\[1，1，1，1\]）去做卷积，最后会得到一张3×3的feature map

2.增加图片的通道数，使用一张3×3五通道的图像（对应的shape：\[1，3，3，5\]），用一个1×1的卷积核（对应的shape：\[1，1，1，1\]）去做卷积，仍然是一张3×3的feature map，这就相当于每一个像素点，卷积核都与该像素点的每一个通道做点积

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([1,1,5,1]))
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

3.把卷积核扩大，现在用3×3的卷积核做卷积，最后的输出是一个值，相当于情况2的feature map所有像素点的值求和

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1])) 
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

4.使用更大的图片将情况2的图片扩大到5×5，仍然是3×3的卷积核，令步长为1，输出3×3的feature map

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

注意我们可以把这种情况看成情况2和情况3的中间状态，卷积核以步长1滑动遍历全图，以下x表示的位置，表示卷积核停留的位置，每停留一个，输出feature map的一个像素

..... .xxx. .xxx. .xxx. .....

5.上面我们一直令参数padding的值为‘VALID’，当其为‘SAME’时，表示卷积核可以停留在图像边缘，如下，输出5×5的feature map

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')

xxxxx
    xxxxx
    xxxxx
    xxxxx
    xxxxx

6.如果卷积核有多个

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')

此时输出7张5×5的feature map  
7.步长不为1的情况，文档里说了对于图片,因为只有两维，通常strides取`[1，stride，stride，1]`

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

此时，输出7张3×3的feature map

x.x.x
    ..... x.x.x .....
    x.x.x

8.如果batch值不为1，同时输入10张图

input = tf.Variable(tf.random_normal([10,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

每张图，都有7张3×3的feature map，输出的shape就是\[10，3，3，7\]

最后，把程序总结一下：

import tensorflow as tf
    #case 2
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([1,1,5,1]))
    
    op2 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')
    #case 3
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op3 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')
    #case 4
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op4 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')
    #case 5
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op5 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
    #case 6
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op6 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
    #case 7
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op7 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
    #case 8
    input = tf.Variable(tf.random_normal([10,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op8 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
    
    init = tf.initialize_all_variables()
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        print("case 2")
        print(sess.run(op2))
        print("case 3")
        print(sess.run(op3))
        print("case 4")
        print(sess.run(op4))
        print("case 5")
        print(sess.run(op5))
        print("case 6")
        print(sess.run(op6))
        print("case 7")
        print(sess.run(op7))
        print("case 8")
        print(sess.run(op8))

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### 补充 ###

1.2 tf.nn.conv2d函数介绍  
官网说明文档：[https://www.tensorflow.org/api\_docs/python/tf/nn/conv2d][https_www.tensorflow.org_api_docs_python_tf_nn_conv2d]

函数原型：

conv2d(input,  
filter,  
strides,  
padding,  
use\_cudnn\_on\_gpu=None,  
data\_format=None,  
name=None  
)

函数参数说明：

`input`：是需要做卷积的输入图像，要求是一个Tensor，具有\[batch, in\_height, in\_width, in\_channels\]这样的shape，具体含义是\[训练时一个batch的图片数量, 图片高度, 图片宽度, 图像通道数\]，注意这是一个4维的Tensor，要求类型为float32和float64其中之一。

`filter`：相当于CNN中的卷积滤波器，要求是一个Tensor，具有\[filter\_height, filter\_width, in\_channels, out\_channels\]这样的shape，具体含义是\[卷积核的高度，卷积核的宽度，图像通道数，卷积核个数\]，要求类型与参数input相同。注意，第三维in\_channels，就是参数input的第四维。

`strides`：卷积时在图像每一维滑动的步长，这是一个一维的向量，长度4，一般是\[1，x，x，1\]的形式。

`padding`：string类型的量，取“SAME”或“VALID”，其中SAME表示需要在输入input高和宽维度的周围添加像素点，卷积率抱起会停留在原图边缘，保证得到的新图与原图的shape相同；VALID则表示不需要填充。

`use_cudnn_on_gpu`：可选，bool类型，是否使用cudnn加速，默认为true。

`data_format`：可选，string类型，取“NHWC”或“NCHW”，表示输入数据input的存储形式，“NHWC” the d表示\[batch, height, width, channels\]，NCHW”表示\[batch, channels, height, width\]。

`name`：可选，表示操作的名字。

函数返回值：一个tensor，与input类型一致，维度顺序取决于data\_format。

1.3 代码解释  
1、操作一：  
input：使用一张3×3、5通道的图像（对应的shape：\[1，3，3，5\]）。filter：用一个1×1的卷积核（对应的shape：\[1，1，5，1\]）。  
padding：VALID。  
strides：\[1,1,1,1\]。  
返回tensor：是一张3×3、单通道的feature map（对应的shape：\[1，3，3，1\]）。  
这就相当于每一个像素点，卷积核都与该像素点的每一个通道做点积。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([1,1,5,1]))
    
    op1 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='VALID')

2、操作二：  
input：使用一张3×3、5通道的图像（对应的shape：\[1，3，3，5\]）。filter：用一个3×3的卷积核（对应的shape：\[3，3，5，1\]）。  
padding：VALID。  
strides：\[1,1,1,1\]。  
返回tensor：是一张1×1、单通道的feature map（对应的shape：\[1，1，1，1\]）。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op2 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='VALID')

3、操作三：  
input：使用一张5×5、5通道的图像（对应的shape：\[1，5，5，5\]）。filter：用一个3×3的卷积核（对应的shape：\[3，3，5，1\]）。  
padding：VALID。  
strides：\[1,1,1,1\]。  
返回tensor：是一张3×3、单通道的feature map（对应的shape：\[1，3，3，1\]）。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op3 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='VALID')

4、操作四：  
input：使用一张5×5、5通道的图像（对应的shape：\[1，5，5，5\]）。filter：用一个3×3的卷积核（对应的shape：\[3，3，5，1\]）。  
padding：SAME。  
strides：\[1,1,1,1\]。  
返回tensor：是一张5×5、单通道的feature map（对应的shape：\[1，5，5，1\]）。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op4 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='SAME')

5、操作五：  
input：使用一张5×5、5通道的图像（对应的shape：\[1，5，5，5\]）。filter：用7个3×3的卷积核（对应的shape：\[3，3，5，7\]）。  
padding：SAME。  
strides：\[1,1,1,1\]。  
返回tensor：是一张5×5、7通道的feature map（对应的shape：\[1，5，5，7\]）。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op5 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='SAME')

6、操作六：  
input：使用一张5×5、5通道的图像（对应的shape：\[1，5，5，5\]）。filter：用7个3×3的卷积核（对应的shape：\[3，3，5，7\]）。  
padding：SAME。  
strides：\[1,2,2,1\]。  
返回tensor：是一张3×3、7通道的feature map（对应的shape：\[1，3，3，7\]）。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op6 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,2,2,1], padding='SAME')

7、操作七：  
input：使用10张5×5、5通道的图像（对应的shape：\[10，5，5，5\]）。  
filter：用7个3×3的卷积核（对应的shape：\[3，3，5，7\]）。  
padding：SAME。  
strides：\[1,2,2,1\]。  
返回tensor：是10张3×3、7通道的feature map（对应的shape：\[10，3，3，7\]）。

input = tf.Variable(tf.random_normal([10,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op7 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,2,2,1], padding='SAME')

全部代码：

import tensorflow as tf
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([1,1,5,1]))
    
    op1 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='VALID')
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op2 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='VALID')
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op3 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='VALID')
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))
    
    op4 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='SAME')
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op5 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,1,1,1], padding='SAME')
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op6 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,2,2,1], padding='SAME')
    
    input = tf.Variable(tf.random_normal([10,5,5,5]))
    filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))
    
    op7 = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1,2,2,1], padding='SAME')
    
    init = tf.initialize_all_variables()
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        print "images:"  
        print sess.run(input)
    
        print "filter:"
        print sess.run(filter)
    
        print "after conv1:"
        print sess.run(op1)
    
        print "after conv2:"
        print sess.run(op2)
    
        print "after conv3:"
        print sess.run(op3)
    
        print "after conv4:"
        print sess.run(op4)
    
        print "after conv5:"
        print sess.run(op5)
    
        print "after conv6:"
        print sess.run(op6)
    
        print "after conv7:"
        print sess.run(op7)

[SouthEast]: /images/20220519/4969745200544b36a37d6fb0fb5dbe97.png
[SouthEast 1]: /images/20220519/baf44fa46ae64891ad07e1c93c270e6e.png
[SouthEast 2]: /images/20220519/171d842bc8e3453090f1e6f830016a65.png
[SouthEast 3]: /images/20220519/fdbe7349a4644fb0a1156d75a9f34319.png
[https_www.tensorflow.org_api_docs_python_tf_nn_conv2d]: https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/nn/conv2d