卷积神经网络（CNN）中卷积的实现

卷积运算本质上就是在滤波器和输入数据的局部区域间做点积，最直观明了的方法就是用滑窗的方式，c++简单实现如下:

输入：imput[IC][IH][IW]
IC = input.channels
IH = input.height
IW = input.width

卷积核: kernel[KC1][KC2][KH][KW]
KC1 = OC
KC2 = IC
KH = kernel.height
KW = kernel.width

输出：output[OC][OH][OW]
OC = output.channels
OH = output.height
OW = output.width

其中，padding = VALID，stride=1，
OH = IH - KH + 1
OW = IW - KW + 1


for(int ch=0;ch<output.channels;ch++)
{
    for(int oh=0;oh<output.height;oh++)
    {
        for(int ow=0;ow<output.width;ow++)
        {
            float sum=0;
            for(int kc=0;kc<kernel.channels;kc++)
            {
                for(int kh=0;kh<kernel.height;kh++)
                {
                    for(int kw=0;kw<kernel.width;kw++)
                    {
                        sum += input[kc][oh+kh][ow+kw]*kernel[ch][kc][kh][kw];
                    }
                }
            }
            //if(bias) sum +=bias[]
            output[ch][oh][ow]=sum;
        }
    }
}

      

直接用滑窗的方法计算卷积，效率比较低，因此一般把卷积操作转换为矩阵乘法。这样可以高效的利用优化之后的矩阵乘法，具体可以参考Caffe中的im2col的实现。

• 在上图中, input features每一个二维矩阵对应与 RGB 图像的 channel 或者是 feature map 中的channel。
• 目前常见的卷积都是 cross channel 的卷积, 既卷积核矩阵是 3 维的(width, height, depth), depth 的大小和feature map 的depth.(depth 就是有几张 feature map)。
• 3维卷积核的方法与 2 维的类似, 也是与 feature map 中相应的一个 3 维的矩阵对应位置元素相乘积。然后相加，2 维的卷积相当于 depth=1 的 3 维的卷

下图阐述了简单的二维卷积实现，输入图像是3*3的RGB数据，组成12*4的矩阵，2个2*2(*3)卷积核，卷积核组成2*12的矩阵，输出矩阵维度为2*4。

最后，将得到的2*4重新reshape成2*2*2，即可。

内容主要来自与：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/30086163

https://blog.csdn.net/gavin__zhou/article/details/72723494

 

http://courses.cs.tau.ac.il/Caffe_workshop/Bootcamp/pdf_lectures/Lecture%203%20CNN%20-%20backpropagation.pdf