TensorFlow基本操作 实现卷积和池化

之前已经提到过图像卷积的操作和意义，并且用OpenCV中的filter2D函数实现了一些例子。OpenCV中的filter2D函数仅仅是用一个卷积核去卷积单个的图像矩阵，而在TensorFlow中，卷积操作主要用于CNN中的卷积层，所以输入不再仅仅局限与三维或一维的矩阵，卷积核的个数不再是单个，输出的通道数=卷积核的个数，为此TensorFlow提供了tf.nn.conv2d函数实现了一个卷积层的卷积操作。定义如下：

def conv2d(input,        filter,        strides,       padding,        use_cudnn_on_gpu=None,       data_format=None,        name=None)

其中参数分别为：第一个参数为当前层的矩阵，在卷积神经网络中它是一个四维的矩阵，即[batch,image.size.height,image.size.width,depth]；第二个参数为卷积核（滤波器），由tf.get_variable函数创建得到；第三个参数为不同维度上的步长，其实对应的是第一个参数，虽然它也是四维的，但是第一维和第四维的数一定为1，因为我们不能间隔的选择batch和depth；第四个参数为边界填充方法。

tf.get_variable函数用以创建卷积核和偏置的权重变量，其结果一般作为tf.nn.conv2d和tf.nn.bias_add函数的输入，函数定义如下：

def get_variable(name,          shape=None,          dtype=None,          initializer=None,          regularizer=None,          trainable=True,          collections=None,          caching_device=None,          partitioner=None,          validate_shape=True,          use_resource=None,          custom_getter=None)

需要说明的是，其第二个参数表示卷积核的维度，也是一个四维的矩阵，[filter.size,filter.size,depth,num]，前三个参数定义了单个卷积核的尺寸，其中的depth应该等于需要卷积的层的depth，即[batch,image.size,image.size,depth]中的第四个参数。而num可以理解为卷积核的个数，它决定了下一层输出的通道数。

所以在CNN中的一个卷积层的卷积操作在TensorFlow中可以用5行代码来实现——定义卷积核，定义偏置，卷积操作，加入偏置，ReLu激活。

filter_weight = tf.get_variable(name,dtype) biases = tf.get_variable(name,dtype) conv = tf.nn.conv2d(input, filter_weight,strides,padding) bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) actived_conv = tf.cnn.relu(bias)

同样的，TensorFlow也提供了池化操作的函数，其中最大池化为tf.nn.max_pool，平均池化为tf.nn.avg_pool，拿平均池化说吧：

def avg_pool(value,        ksize,        strides,        padding,        data_format="NHWC",        name=None):

这个函数和tf.nn.conv2d很像，就不逐个参数说明了，主要注意的一定是第二个参数，在tf.nn.conv2d中第二个参数是需要训练权重，而在avg_pool函数中只需要直接给出四个维度就好，这是因为池化操作的卷积核参数不需要训练得到，而是直接指定，参数是什么由是最大池化还是平均池化有关。由于池化操作一般只用来降尺寸，而不是降通道数，所以池化层的核一般选择为[1,2,2,1][1,3,3,1]。

为了更清晰的理解卷积和池化操作，在这里不直接给出网络，而是用指定的卷积核和偏置卷积操作一个指定的矩阵：假设输入矩阵为：指定卷积核为：指定偏置为：[1, 1, 1, …., 1]

import tensorflow as tf import numpy as np  M = np.array([    [[1],[-1],[0]],    [[-1],[2],[1]],    [[0],[2],[-2]]   ]) #打印输入矩阵shapeprint("Matrix shape is: ",M.shape) #卷积操作 filter_weight = tf.get_variable('weights',                 [2, 2, 1, 1],                  initializer = tf.constant_initializer([                                    [1, -1],                                    [0, 2]])) biases = tf.get_variable('biases',               [1],              initializer = tf.constant_initializer(1)) #调整输入矩阵的格式符合TensorFlow的要求，batch=1M = np.asarray(M, dtype='float32') M = M.reshape(1, 3, 3, 1)  x = tf.placeholder('float32', [1, None, None, 1]) conv = tf.nn.conv2d(x, filter_weight, strides = [1, 2, 2, 1], padding = 'SAME') bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) pool = tf.nn.avg_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME') with tf.Session() as sess:   tf.global_variables_initializer().run()   #将M feed到定义好的操作中   convoluted_M = sess.run(bias,feed_dict={x:M})   pooled_M = sess.run(pool,feed_dict={x:M})  print("convoluted_M: n", convoluted_M)  print("pooled_M: n", pooled_M)

结果：Matrix shape is: (3, 3, 1)convoluted_M:[[[[ 7.][ 1.]]

[[-1.][-1.]]]]pooled_M:[[[[ 0.25][ 0.5 ]]

[[ 1. ][-2. ]]]]

在IPython中的结果如上面所示，为了方便换看，把他弄成正常矩阵的形式：convoluted_M:[[[[ 7.] [ 1.]][[-1.] [-1.]]]]pooled_M:[[[[ 0.25] [ 0.5 ]][[ 1. ] [-2. ]]]]就是上面这样了，需要注意的是，边界填充是在右侧和下方单边填充（补零），即：

（3-2+1）/2+1=2

卷积后加入偏置即为convoluted_M，平均池化后为pooled_M。

END.

来源：

https://blog.csdn.net/chaipp0607/article/details/61192003

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原文始发于微信公众号（PPV课数据科学社区）：TensorFlow基本操作 实现卷积和池化