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caffe中卷積計算詳解

      卷積是卷積神經網路的重要組成部分,消耗整個網路中大量計算資源,理解卷積計算過程,對優化網路結構和簡化網路模型非常重要。

       正常卷積的實現如下圖所示:


        非常重要的是:卷積核其實和特徵圖一樣,是一個三維矩陣,這點需要注意。

       上圖是一個典型的卷積過程。第一列是一個7*7*3的特徵圖;第二列是第一個卷積核,大小為3*3*3;第三列是第二個卷積核,大小為3*3*3;第四列得到了兩個輸出特徵圖,第一個是原特徵圖和第一個卷積核卷積得到的,第二個是原特徵圖和第二個卷積核卷積得到的。

        計算:第二列的卷積核的第一個3*3模板在第一個特徵圖上進行加權迭代,得到值為-3;第二個3*3模組在第二個特徵圖對應位置,進行同樣的操作,得到4;第三個得到0;最後,加上偏置1,即:-3+4+0+1=2。按這樣的計算規則,卷積核在原特徵圖上進行滑動遍歷,最終得到了第四列,第一個輸出特徵圖。第三列的卷積核計算同上,得到了第四列,第二個輸出特徵圖。

        乘法次數:即進行了幾次乘法,第一個卷積核進行了(3*3)*3次乘法,兩個卷積核共2*(3*3)*3次。

        引數個數:即權值個數,第一個卷積核有(3*3)*3個引數,加上一個偏置,共(3*3)*3+1=28個引數。所以,兩個卷積核共28*2=56個引數。

        那麼,卷積過程,在caffe程式碼中是怎麼實現的呢?如下圖所示:


        上圖類似上面的卷積過程,輸入特徵圖大小為:in_channels*in_height_*in_width,卷積核大小為:in_channels*k_height_*k_width(注意:卷積核channels和輸入特徵圖的channels相同

),輸出特徵圖大小為:out_channels*out_height_*out_width。

         caffe實現時,先將輸入特徵圖和卷積核都轉化為矩陣,計算好了再還原,如下圖:


       將輸入特徵圖中,卷積部分的那個區域中資料(原特徵圖中),轉變為一列,如果channels為1,則列長為k_height_*k_width,否則為in_channels*k_height_*k_width。當卷積核移動一次,對應的區域資料又形成了新的一列,卷積核一用移動out_height_*out_width次,這樣輸入特徵圖矩陣的寬度就為out_height_*out_width。所以,就形成了一個(in_channels*k_height_*k_width)*(out

_height_*out_width)的矩陣。同上,得到一個(out_channles)*(in_channels*k_height_*k_width)的卷積核矩陣。
       用卷積核矩陣*輸入特徵圖矩陣,得到(out_channles)*(out_height_*out_width)大小的輸出特徵圖矩陣,還原後得到out_channles個out_height_*out_width大小的特徵圖。
       以上,即為卷積計算的詳細步驟。
       本部落格中提到了乘法次數,當然也有加分次數,這些都是實際開發中,需要考慮的。開發中需要根據演算法的浮點運算次數,來權衡選擇何種處理晶片。