上采样之反卷积操作

本文参考：

https://www.jianshu.com/p/b48bf190fe61

理解转置卷积 - 脂环 - 博客园

深度解析什么是转置卷积-电子发烧友网

https://blog.csdn.net/weixin_41620490/article/details/105885663

常用的下采样通过卷积和池化操作，不断缩小图像尺寸，减少矩阵的采样点数。

上采样通过反卷积或者插值操作，不断扩大图像尺寸，增加矩阵的采样点数。

卷积操作本身上是一种特征抽取，数据压缩的过程。

而反卷积是一种特殊的正向卷积，先按照一定的比例通过补0来扩大输入图像的尺寸，接着旋转卷积核，再进行正向卷积。但是该反卷积并不是卷积的逆过程，一旦卷积操作后，是无法通过反卷积还原回去的。反卷积更准确地讲应该是转置卷积。

如何理解转置？

首先从卷积操作讲起。

对于如上卷积操作，

输入input为4*4，kernel为3*3，stride为1，padding为0。则卷积后为：

 

数学推导时可以通过滑动kernel分别计算出每个值，但是计算机则是一次性计算出值。

首先将输入转化成N*1，对于本input为16*1，如下：

将卷积核转化为4*16的稀疏矩阵，如下图所示：

 矩阵相乘得到4*1的结果的过程如下：

通过卷积核构造的4*16的稀疏矩阵，使得4*4 -> 16*1的输入直接得到了4*1 -> 2*2的结果。

而上采样则相反，我们希望2*2 -> 4*1的输入得到16*1 -> 4*4的结果，此时就需要使用到16*4的矩阵，从正向的4*16矩阵变为16*4的转置矩阵，故而得名转置矩阵。

 

如何计算输出大小？

首先给出卷积输出大小的计算公式：

转化后得到：

 

调换in和out的值，则得到转置卷积后的大小为：

 

pytorch如何计算转置卷积？

首先，卷积操作的代码如下：

import torch
import torch.nn as nn
 
model = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=1, kernel_size=2,stride=1,padding=0)
x = torch.tensor([[[1.,2.,3.],[4.,5.,6.],[7.,8.,9.]]]).unsqueeze(0)
model.weight.data = torch.tensor([[[[1.,1.],[1.,1.]]]])
model.bias.data = torch.zeros(1)
 
print(model(x))

输出结果为：

tensor([[[[12., 16.],
          [24., 28.]]]], grad_fn=)

 转置卷积操作的代码如下：

import torch
import torch.nn as nn
 
model = nn.ConvTranspose2d(in_channels=1, out_channels=1, kernel_size=3,stride=1,padding=0)
x = torch.tensor([[[12,16],[24,28]]], dtype=torch.float32).unsqueeze(0)
model.weight.data = torch.tensor([[[[1,1,1],[1,1,1],[1,1,1]]]], dtype=torch.float32)
model.bias.data = torch.zeros(1)
 
print(model(x))

 输出结果为：

tensor([[[[12., 28., 28., 16.],
          [36., 80., 80., 44.],
          [36., 80., 80., 44.],
          [24., 52., 52., 28.]]]], grad_fn=)