卷积层运算详解与im2col实现

全连接层存在的问题

之前介绍的全连接的神经网络中使用了全连接层（Affine层）。在全连接层中，相邻层的神经元全部连接在一起，输出的数量可以任意决定。

全连接层存在什么问题呢？那就是数据的形状被“忽视”了。比如，输入数据是图像时，图像通常是高、长、通道方向上的3维形状。但是，向全连接层输入时，需要将3维数据拉平为1维数据。实际上，前面提到的使用了MNIST数据集的例子中，输入图像就是1通道、高28像素、长28像素的（1, 28, 28）形状，但却被排成1列，以784个数据的形式输入到最开始的Affine层。

图像是3维形状，这个形状中应该含有重要的空间信息。比如，空间上邻近的像素为相似的值、RBG的各个通道之间分别有密切的关联性、相距较远的像素之间没有什么关联等，3维形状中可能隐藏有值得提取的本质模式。但是，因为全连接层会忽视形状，将全部的输入数据作为相同的神经元（同一维度的神经元）处理，所以无法利用与形状相关的信息。而卷积层可以保持形状不变。当输入数据是图像时，卷积层会以3维数据的形式接收输入数据，并同样以3维数据的形式输出至下一层。因此，在CNN中，可以（有可能）正确理解图像等具有形状的数据。

另外，CNN 中，有时将卷积层的输入输出数据称为特征图（feature map）。其中，卷积层的输入数据称为输入特征图（input feature map），输出数据称为输出特征图（output feature map）。本书中将“输入输出数据”和“特征图”作为含义相同的词使用。

卷积运算：

卷积层进行的处理就是卷积运算。卷积运算相当于图像处理中的“滤波器运算”。滤波器有的文献也叫卷积核。在传统图像处理一般叫滤波器，而在深度学习中叫卷积核。

下图中展示了卷积运算的计算顺序。对于输入数据，卷积运算以一定间隔滑动滤波器的窗口并应用。这里所说的窗口是指图中灰色的3 × 3的部分。如图所示，将各个位置上滤波器的元素和输入的对应元素相乘，然后再求和（有时将这个计算称为乘积累加运算）。然后，将这个结果保存到输出的对应位置。将这个过程在所有位置都进行一遍，就可以得到卷积运算的输出。

在全连接的神经网络中，除了权重参数，还存在偏置。CNN中，滤波器的参数就对应之前的权重。并且，CNN中也存在偏置。包含偏置的卷积运算的处理流如下图所示，向应用了滤波器的数据加上了偏置。偏置通常只有1个，这个值会被加到应用了滤波器的所有元素上：

填充

在进行卷积层的处理之前，有时要向输入数据的周围填入固定的数据（比如0等），这称为填充（padding），是卷积运算中经常会用到的处理。

如图所示，通过填充，大小为(4, 4)的输入数据变成了(6, 6)的形状。然后，应用大小为(3, 3)的滤波器，生成了大小为(4, 4)的输出数据。这个例子中将填充设成了1，不过填充的值也可以设置成2、3等任意的整数。在上图的例子中，如果将填充设为2，则输入数据的大小变为(8, 8)；如果将填充设为3，则大小变为(10, 10)。

使用填充主要是为了调整输出的大小。比如，对大小为(4, 4)的输入数据应用(3, 3)的滤波器时，输出大小变为(2, 2)，相当于输出大小比输入大小缩小了 2个元素。这在反复进行多次卷积运算的深度网络中会成为问题。为什么呢？因为如果每次进行卷积运算都会缩小空间，那么在某个时刻输出大小就有可能变为 1，导致无法再应用卷积运算。为了避免出现这样的情况，就要使用填充。在刚才的例子中，将填充的幅度设为 1，那么相对于输入大小(4, 4)，输出大小也保持为原来的(4, 4)。因此，卷积运算就可以在保持空间大小不变的情况下将数据传给下一层。

步幅

应用滤波器的位置间隔称为步幅（stride）。之前的例子中步幅都是1，如果将步幅设为2，则如下图所示，应用滤波器的窗口的间隔变为2个元素：

在上图的例子中，对输入大小为(7, 7)的数据，以步幅2应用了滤波器。通过将步幅设为2，输出大小变为(3, 3)。像这样，步幅可以指定应用滤波器的间隔。

综上，增大步幅后，输出大小会变小。而增大填充后，输出大小会变大。这里，假设输入大小为(H, W)，滤波器大小为(FH, FW)，输出大小为(OH, OW)，填充为P，步幅为S。此时，输出大小可通过下式进行计算：

3维数据的卷积运算

之前的卷积运算的例子都是以有高、长方向的2维形状为对象的。但是，图像是3维数据，除了高、长方向之外，还需要处理通道方向。这里，我们按照与之前相同的顺序，看一下对加上了通道方向的3维数据进行卷积运算的例子。这里以3通道的数据为例，展示了卷积运算的结果。和2维数据时相比，可以发现纵深方向（通道方向）上特征图增加了。通道方向上有多个特征图时，会按通道进行输入数据和滤波器的卷积运算，并将结果相加，从而得到输出：

需要注意的是，在3维数据的卷积运算中，输入数据和滤波器的通道数要设为相同的值。在这个例子中，输入数据和滤波器的通道数一致，均为3。滤波器大小可以设定为任意值（不过，每个通道的滤波器大小要全部相同）。这个例子中滤波器大小为(3, 3)，但也可以设定为(2, 2)、(1, 1)、(5, 5)等任意值。再强调一下，通道数只能设定为和输入数据的通道数相同的值。

结合方块思考

将数据和滤波器结合长方体的方块来考虑，3维数据的卷积运算会很容易理解。把3维数据表示为多维数组时，书写顺序为（channel, height, width）。比如，通道数为C、高度为H、长度为W的数据的形状可以写成（C, H, W）。滤波器也一样，要按（channel, height, width）的顺序书写。比如，通道数为C、滤波器高度为FH（Filter Height）、长度为FW（Filter Width）时，可以写成（C, FH, FW）。

在这个例子中，数据输出是1张特征图。所谓1张特征图，换句话说，就是通道数为1的特征图。那么，如果要在通道方向上也拥有多个卷积运算的输出，该怎么做呢？为此，就需要用到多个滤波器（权重）。如下图所示：

上图中，通过应用FN个滤波器，输出特征图也生成了FN个。如果将这FN个特征图汇集在一起，就得到了形状为(FN, OH, OW)的方块。将这个方块传给下一层，就是CNN的处理流。关于卷积运算的滤波器，也必须考虑滤波器的数量。因此，作为4维数据，滤波器的权重数据要按(output_channel, input_channel, height, width)的顺序书写。比如，通道数为3、大小为5 × 5的滤波器有20个时，可以写成(20, 3, 5, 5)。卷积运算中（和全连接层一样）存在偏置。如果进一步追加偏置的加法运算处理，则结果如下图所示，每个通道只有一个偏置。这里，偏置的形状是(FN, 1, 1)，滤波器的输出结果的形状是(FN, OH, OW)。这两个方块相加时，要对滤波器的输出结果(FN, OH, OW)按通道加上相同的偏置值。另外，不同形状的方块相加时，可以基于NumPy的广播功能轻松实现：

批处理

神经网络的处理中进行了将输入数据打包的批处理。之前的全连接神经网络的实现也对应了批处理，通过批处理，能够实现处理的高效化和学习时对mini-batch的对应。我们希望卷积运算也同样对应批处理。为此，需要将在各层间传递的数据保存为4维数据。具体地讲，就是按(batch_num, channel, height, width)的顺序保存数据。如下图所示：

批处理版的数据流中，在各个数据的开头添加了批用的维度，数据作为4维的形状在各层间传递。这里需要注意的是，网络间传递的是4维数据，对这N个数据进行了卷积运算。也就是说，批处理将N次的处理汇总成了1次进行。

基于 im2col的展开

如前所述，CNN中各层间传递的数据是4维数据。所谓4维数据，比如数据的形状是(10, 1, 28, 28)，则它对应10个高为28、长为28、通道为1的数据。如果老老实实地实现卷积运算，估计要重复好几层的for语句。这样的实现有点麻烦，而且，NumPy中存在使用for语句后处理变慢的缺点（NumPy中，访问元素时最好不要用for语句）。这里，我们不使用for语句，而是使用im2col这个便利的函数进行简单的实现。

im2col是一个函数，将输入数据展开以适合滤波器（权重）。如下图所示，对3维的输入数据应用im2col后，数据转换为2维矩阵（正确地讲，是把包含批数量的4维数据转换成了2维数据）。

im2col会把输入数据展开以适合滤波器（权重）。具体地说，如下图所示，对于输入数据，将应用滤波器的区域（3维方块）横向展开为1列。im2col会在所有应用滤波器的地方进行这个展开处理：

上图中，为了便于观察，将步幅设置得很大，以使滤波器的应用区域不重叠。而在实际的卷积运算中，滤波器的应用区域几乎都是重叠的。在滤波器的应用区域重叠的情况下，使用im2col展开后，展开后的元素个数会多于原方块的元素个数。因此，使用im2col的实现存在比普通的实现消耗更多内存的缺点。但是，汇总成一个大的矩阵进行计算，对计算机的计算颇有益处。比如，在矩阵计算的库（线性代数库）等中，矩阵计算的实现已被高度最优化，可以高速地进行大矩阵的乘法运算。因此，通过归结到矩阵计算上，可以有效地利用线性代数库。

使用im2col展开输入数据后，之后就只需将卷积层的滤波器（权重）纵向展开为1列，并计算2个矩阵的乘积即可。这和全连接层的Affine层进行的处理基本相同。如下图所示，基于im2col方式的输出结果是2维矩阵。因为CNN中数据会保存为4维数组，所以要将2维输出数据转换为合适的形状。这就是卷积层的实现流程：

卷积层的实现

im2col (input_data, filter_h, filter_w, stride=1, pad=0)，介绍一下im2col函数的参数。input_data―由（数据量，通道，高，长）的4维数组构成的输入数据，filter_h为滤波器的高，filter_w为滤波器的长stride为步幅，pad为填充。现在使用im2col来实现卷积层。这里我们将卷积层实现为名为Convolution的类：

class Convolution:
    def __init__(self, W, b, stride=1, pad=0):
        self.W = W
        self.b = b
        self.stride = stride
        self.pad = pad

        # 中间数据（backward时使用）
        self.x = None
        self.col = None
        self.col_W = None

        # 权重和偏置参数的梯度
        self.dW = None
        self.db = None

    def forward(self, x):
        FN, C, FH, FW = self.W.shape
        N, C, H, W = x.shape
        out_h = 1 + int((H + 2 * self.pad - FH) / self.stride)
        out_w = 1 + int((W + 2 * self.pad - FW) / self.stride)

        col = im2col(x, FH, FW, self.stride, self.pad)
        col_W = self.W.reshape(FN, -1).T

        out = np.dot(col, col_W) + self.b
        out = out.reshape(N, out_h, out_w, -1).transpose(0, 3, 1, 2)

        self.x = x
        self.col = col
        self.col_W = col_W

        return out

    def backward(self, dout):
        FN, C, FH, FW = self.W.shape
        dout = dout.transpose(0, 2, 3, 1).reshape(-1, FN)

        self.db = np.sum(dout, axis=0)
        self.dW = np.dot(self.col.T, dout)
        self.dW = self.dW.transpose(1, 0).reshape(FN, C, FH, FW)

        dcol = np.dot(dout, self.col_W.T)
        dx = col2im(dcol, self.x.shape, FH, FW, self.stride, self.pad)

        return dx
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卷积层的初始化方法将滤波器（权重）、偏置、步幅、填充作为参数接收。滤波器是 (FN, C, FH, FW)的 4 维形状。另外，FN、C、FH、FW分别是 Filter Number（滤波器数量）、Channel、Filter Height、Filter Width的缩写。

用im2col展开输入数据，并用reshape将滤波器展开为2维数组。然后，计算展开后的矩阵的乘积。将各个滤波器的方块纵向展开为1列。这里通过reshape(FN,-1)将参数指定为-1，这是reshape的一个便利的功能。通过在reshape时指定为-1，reshape函数会自动计算-1维度上的元素个数，以使多维数组的元素个数前后一致。比如，(10, 3, 5, 5)形状的数组的元素个数共有750个，指定reshape(10,-1)后，就会转换成(10, 75)形状的数组。forward的实现中，最后会将输出大小转换为合适的形状。转换时使用了NumPy的transpose函数。transpose会更改多维数组的轴的顺序。如下图所示，通过指定从0开始的索引（编号）序列，就可以更改轴的顺序。

以上就是卷积层的forward处理的实现。通过使用im2col进行展开，基本上可以像实现全连接层的Affine层一样来实现。接下来是卷积层的反向传播的实现，在进行卷积层的反向传播时，必须进行im2col的逆处理。这可以使用col2im函数来进行。除了使用col2im这一点，卷积层的反向传播和Affine层的实现方式都一样。最后附上im2col函数和col2im函数。

def im2col(input_data, filter_h, filter_w, stride=1, pad=0):
    """

    Parameters
    ----------
    input_data : 由(数据量, 通道, 高, 长)的4维数组构成的输入数据
    filter_h : 滤波器的高
    filter_w : 滤波器的长
    stride : 步幅
    pad : 填充

    Returns
    -------
    col : 2维数组
    """
    N, C, H, W = input_data.shape
    out_h = (H + 2*pad - filter_h)//stride + 1
    out_w = (W + 2*pad - filter_w)//stride + 1

    img = np.pad(input_data, [(0,0), (0,0), (pad, pad), (pad, pad)], 'constant')
    col = np.zeros((N, C, filter_h, filter_w, out_h, out_w))

    for y in range(filter_h):
        y_max = y + stride*out_h
        for x in range(filter_w):
            x_max = x + stride*out_w
            col[:, :, y, x, :, :] = img[:, :, y:y_max:stride, x:x_max:stride]

    col = col.transpose(0, 4, 5, 1, 2, 3).reshape(N*out_h*out_w, -1)
    return col


def col2im(col, input_shape, filter_h, filter_w, stride=1, pad=0):
    """

    Parameters
    ----------
    col :
    input_shape : 输入数据的形状（例：(10, 1, 28, 28)）
    filter_h :
    filter_w
    stride
    pad

    Returns
    -------

    """
    N, C, H, W = input_shape
    out_h = (H + 2*pad - filter_h)//stride + 1
    out_w = (W + 2*pad - filter_w)//stride + 1
    col = col.reshape(N, out_h, out_w, C, filter_h, filter_w).transpose(0, 3, 4, 5, 1, 2)

    img = np.zeros((N, C, H + 2*pad + stride - 1, W + 2*pad + stride - 1))
    for y in range(filter_h):
        y_max = y + stride*out_h
        for x in range(filter_w):
            x_max = x + stride*out_w
            img[:, :, y:y_max:stride, x:x_max:stride] += col[:, :, y, x, :, :]

    return img[:, :, pad:H + pad, pad:W + pad]
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