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Keras中Conv1D和Conv2D的區別

如有錯誤,歡迎斧正。

我的答案是,在Conv2D輸入通道為1的情況下,二者是沒有區別或者說是可以相互轉化的。首先,二者呼叫的最後的程式碼都是後端程式碼(以TensorFlow為例,在tensorflow_backend.py裡面可以找到):

x = tf.nn.convolution(
        input=x,
        filter=kernel,
        dilation_rate=(dilation_rate,),
        strides=(strides,),
        padding=padding,
        data_format=tf_data_format)

區別在於input和filter傳遞的引數不同,input不必說,filter=kernel是什麼呢?

我們進入Conv1D和Conv2D的原始碼看一下。他們的程式碼位於layers/convolutional.py裡面,二者繼承的都是基類_Conv(Layer)。進入_Conv類檢視程式碼可以發覺以下程式碼:

self.kernel_size = conv_utils.normalize_tuple(kernel_size, rank, 'kernel_size')
……#中間程式碼省略
input_dim = input_shape[channel_axis]
kernel_shape = self.kernel_size + (input_dim, self.filters)

我們假設,Conv1D的input的大小是(600,300),而Conv2D的input大小是(m,n,1),二者kernel_size為3。

進入conv_utils.normalize_tuple函式可以看到:

def normalize_tuple(value, n, name):
    """Transforms a single int or iterable of ints into an int tuple.

    # Arguments
        value: The value to validate and convert. Could an int, or any iterable
          of ints.
        n: The size of the tuple to be returned.
        name: The name of the argument being validated, e.g. "strides" or
          "kernel_size". This is only used to format error messages.

    # Returns
        A tuple of n integers.

    # Raises
        ValueError: If something else than an int/long or iterable thereof was
        passed.
    """
    if isinstance(value, int):
        return (value,) * n
    else:
        try:
            value_tuple = tuple(value)
        except TypeError:
            raise ValueError('The `' + name + '` argument must be a tuple of ' +
                             str(n) + ' integers. Received: ' + str(value))
        if len(value_tuple) != n:
            raise ValueError('The `' + name + '` argument must be a tuple of ' +
                             str(n) + ' integers. Received: ' + str(value))
        for single_value in value_tuple:
            try:
                int(single_value)
            except ValueError:
                raise ValueError('The `' + name + '` argument must be a tuple of ' +
                                 str(n) + ' integers. Received: ' + str(value) + ' '
                                 'including element ' + str(single_value) + ' of type' +
                                 ' ' + str(type(single_value)))
    return value_tuple

所以上述程式碼得到的kernel_size是kernel的實際大小,根據rank進行計算,Conv1D的rank為1,Conv2D的rank為2,如果是Conv1D,那麼得到的kernel_size就是(3,)如果是Conv2D,那麼得到的是(3,3)

input_dim = input_shape[channel_axis]
kernel_shape = self.kernel_size + (input_dim, self.filters)

又因為以上的inputdim是最後一維大小(Conv1D中為300,Conv2D中為1),filter數目我們假設二者都是64個卷積核。因此,Conv1D的kernel的shape實際為:

(3,300,64)

而Conv2D的kernel的shape實際為:

(3,3,1,64)

剛才我們假設的是傳參的時候kernel_size=3,如果,我們將傳參Conv2D時使用的的kernel_size設定為自己的元組例如(3,300),那麼傳根據conv_utils.normalize_tuple函式,最後的kernel_size會返回我們自己設定的元組,也即(3,300)那麼Conv2D的實際shape是:

(3,300,1,64),也即這個時候的Conv1D的大小reshape一下得到,二者等價。

換句話說,Conv1D(kernel_size=3)實際就是Conv2D(kernel_size=(3,300)),當然必須把輸入也reshape成(600,300,1),即可在多行上進行Conv2D卷積。

這也可以解釋,為什麼在Keras中使用Conv1D可以進行自然語言處理,因為在自然語言處理中,我們假設一個序列是600個單詞,每個單詞的詞向量是300維,那麼一個序列輸入到網路中就是(600,300),當我使用Conv1D進行卷積的時候,實際上就完成了直接在序列上的卷積,卷積的時候實際是以(3,300)進行卷積,又因為每一行都是一個詞向量,因此使用Conv1D(kernel_size=3)也就相當於使用神經網路進行了n_gram=3的特徵提取了。這也是為什麼使用卷積神經網路處理文字會非常快速有效的內涵。