RGB彩图卷积过程

在CNN中,滤波器filter(带着一组固定权重的神经元)对局部输入数据进行卷积计算。每计算完一个数据窗口内的局部数据后,数据窗口不断平移滑动,直到计算完所有数据。这个过程中,有这么几个参数:

  a. 深度depth:神经元个数,决定输出的depth厚度。同时代表滤波器个数。

  b. 步长stride:决定滑动多少步可以到边缘。

  c. 填充值zero-padding:在外围边缘补充若干圈0,方便从初始位置以步长为单位可以刚好滑倒末尾位置,通俗地讲就是为了总长能被步长整除。


cs231n课程中有一张卷积动图,貌似是用d3js 和一个util 画的,我根据cs231n的卷积动图依次截取了18张图,然后用一gif 制图工具制作了一gif 动态卷积图。如下gif 图所示


可以看到:

  •   两个神经元,即depth=2,意味着有两个滤波器。
  •   数据窗口每次移动两个步长取3*3的局部数据,即stride=2。
  •   zero-padding=1。

然后分别以两个滤波器filter为轴滑动数组进行卷积计算,得到两组不同的结果。

如果初看上图,可能不一定能立马理解啥意思,但结合上文的内容后,理解这个动图已经不是很困难的事情:

  •   左边是输入(7*7*3中,7*7代表图像的像素/长宽,3代表R、G、B 三个颜色通道)
  •   中间部分是两个不同的滤波器Filter w0、Filter w1
  •   最右边则是两个不同的输出

随着左边数据窗口的平移滑动,滤波器Filter w0 / Filter w1对不同的局部数据进行卷积计算。

值得一提的是:

  •   左边数据在变化,每次滤波器都是针对某一局部的数据窗口进行卷积,这就是所谓的CNN中的局部感知机制。

  •   打个比方,滤波器就像一双眼睛,人类视角有限,一眼望去,只能看到这世界的局部。如果一眼就看到全世界,你会累死,而且一下子接受全世界所有信息,你大脑接收不过来。当然,即便是看局部,针对局部里的信息人类双眼也是有偏重、偏好的。比如看美女,对脸、胸、腿是重点关注,所以这3个输入的权重相对较大。

与此同时,数据窗口滑动,导致输入在变化,但中间滤波器Filter w0的权重(即每个神经元连接数据窗口的权重)是固定不变的,这个权重不变即所谓的CNN中的参数(权重)共享机制。

  •   再打个比方,某人环游全世界,所看到的信息在变,但采集信息的双眼不变。btw,不同人的双眼 看同一个局部信息 所感受到的不同,即一千个读者有一千个哈姆雷特,所以不同的滤波器 就像不同的双眼,不同的人有着不同的反馈结果。

我第一次看到上面这个动态图的时候,只觉得很炫,另外就是据说计算过程是“相乘后相加”,但到底具体是个怎么相乘后相加的计算过程 则无法一眼看出,网上也没有一目了然的计算过程。本文来细究下。

首先,我们来分解下上述动图,如下图


接着,我们细究下上图的具体计算过程。即上图中的输出结果1具体是怎么计算得到的呢?其实,类似wx + b,w对应滤波器Filter w0,x对应不同的数据窗口,b对应Bias b0,相当于滤波器Filter w0与一个个数据窗口相乘再求和后,最后加上Bias b0得到输出结果1,如下过程所示:

1* 0 + 1*0 + -1*0

+

-1*0 + 0*0 + 1*1

+

-1*0 + -1*0 + 0*1

+

-1*0 + 0*0 + -1*0

+

0*0 + 0*1 + -1*1

+

1*0 + -1*0 + 0*2

+

0*0 + 1*0 + 0*0

+

1*0 + 0*2 + 1*0

+

0*0 + -1*0 + 1*0

+

1

=

1

然后滤波器Filter w0固定不变,数据窗口向右移动2步,继续做内积计算,得到0的输出结果


最后,换做另外一个不同的滤波器Filter w1、不同的偏置Bias b1,再跟图中最左边的数据窗口做卷积,可得到另外一个不同的输出。


转自:https://blog.csdn.net/oMoDao1/article/details/83545144

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