nn.Unfold 函数 与 卷积计算的实现过程

这篇博客深入探讨了卷积运算背后的数学原理,通过实例展示了如何使用PyTorch的Unfold和Fold函数来实现卷积。Unfold将输入张量拆分成小块,然后通过矩阵乘法进行卷积操作,最后用Fold将结果折叠回原始形状。此过程揭示了卷积的本质,有助于加深对卷积神经网络的理解。
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官方文档

将4-D 输入张量 (batched image-like tensors)沿着通道维度取出数据

def unfold(input, kernel_size, dilation=1, padding=0, stride=1):  
import torch
import torch.nn as nn
unfold = nn.Unfold(kernel_size=(2, 3))
input = torch.randn(2, 5, 3, 4)
output = unfold(input)
# each patch contains 30 values (2x3=6 vectors, each of 5 channels)
# 4 blocks (2x3 kernels) in total in the 3x4 input
print(output.size()) # torch.Size([2, 30, 4])

可视化一下代码

import numpy
import torch
import torch.nn as nn
unfold = nn.Unfold(kernel_size=(2, 3))
input = torch.randn(2, 5, 4, 4)
input = torch.range(1,2*5*4*4).reshape(2,5,4,4)
output = unfold(input)

卷积实现的解释:Convolution = Unfold + Matrix Multiplication + Fold(即卷积是通过Unfold 后进行矩阵乘法再fold回去)

# Convolution is equivalent with Unfold + Matrix Multiplication + Fold (or view to output shape)
inp = torch.randn(1, 3, 10, 12)
w = torch.randn(2, 3, 4, 5)
inp_unf = torch.nn.functional.unfold(inp, (4, 5))
out_unf = inp_unf.transpose(1, 2).matmul(w.view(w.size(0), -1).t()).transpose(1, 2)
out = torch.nn.functional.fold(out_unf, (7, 8), (1, 1))
# or equivalently (and avoiding a copy),
# out = out_unf.view(1, 2, 7, 8)
(torch.nn.functional.conv2d(inp, w) - out).abs().max()

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<think>好的,我现在需要帮助用户解决关于F.unfold的用法或错误的问题。首先,我应该回忆一下F.unfoldPyTorch中的作用。F.unfold属于torch.nn.functional模块,主要用于从输入张量中提取滑动局部块,常用于卷积操作前的数据准备。用户可能需要了解其基本用法和常见错误。 接下来,我需要考虑用户可能的应用场景。用户可能在处理图像数据,比如在自定义卷积层或池化层时使用F.unfold。或者在进行某些需要局部块操作的任务,如图像分割、特征提取等。用户可能遇到了参数设置错误或形状不匹配的问题。 然后,我应该整理F.unfold的参数。主要参数包括input,kernel_size,dilation,padding,stride。其中kernel_size是必需的,其他参数有默认值。需要解释每个参数的意义,特别是dilation和stride的区别,因为用户可能混淆它们。 接下来,示例代码非常重要。用户需要一个简单的例子来理解如何使用F.unfold。例如,生成一个模拟的批处理图像数据,应用F.unfold,并展示输出的形状变化。同时,需要解释输出形状的各个维度含义,如批大小、通道数乘以块内像素数、展开后的空间维度数。 关于常见错误,用户可能会遇到输入维度不正确的问题,比如输入不是4D张量(N, C, H, W)。需要提醒用户检查输入形状。另外,kernel_size超过输入尺寸也会导致错误,需要给出解决方法,如调整kernel_size或增加padding。 此外,可能用户在使用F.unfold后没有正确处理输出,导致后续步骤出错。例如,在卷积操作中需要调整展开后的张量形状,用户可能在这里出错,需要指出正确的reshape方法。 还需要考虑用户是否混淆了F.unfold其他函数,比如torch.unfold。需要指出两者的区别,F.unfold处理的是批数据,而torch.unfold处理的是单个样本,并且F.unfold可以处理多维度展开。 最后,生成相关问题,帮助用户进一步学习,比如F.fold的关系,在卷积中的应用,性能优化,以及处理高维数据的情况。这些问题可以引导用户深入理解相关概念和应用。 总结一下,我需要分步骤解释F.unfold的用法,给出示例代码,列举常见错误及解决方法,并生成相关问题。同时,确保回答结构清晰,符合用户的需求,并参考提供的引用内容,比如引用[1]中提到的生成火焰图时可能用到性能分析工具,但用户的问题更关注F.unfold本身,所以可能不需要直接引用,但需保持回答的准确性和实用性。</think>### F.unfold 用法详解 F.unfoldPyTorch 中用于提取滑动局部块的函数,常用于自定义卷积操作或局部特征处理。其核心功能是将输入张量的局部区域展开为列向量,形成便于批量处理的二维矩阵。 #### 1. 基础语法 ```python torch.nn.functional.unfold(input, kernel_size, dilation=1, padding=0, stride=1) ``` - `input`: 输入张量,形状为 $(N, C, H, W)$ - `kernel_size`: 滑动窗口尺寸(整数或元组) - `stride`: 滑动步长(默认1) - `padding`: 边界填充(默认0) - `dilation`: 窗口膨胀系数(默认1) #### 2. 典型示例 ```python import torch import torch.nn.functional as F # 生成模拟输入数据(batch_size=2, channels=3, height=4, width=4) x = torch.arange(2*3*4*4).float().view(2,3,4,4) # 使用3x3窗口展开 unfold = F.unfold(x, kernel_size=3) print(unfold.shape) # 输出:torch.Size([2, 27, 4]) ``` - 输出维度解析: - $2$: 批大小(N) - $27$: 通道数×窗口元素数(3×3×3) - $4$: 有效空间位置数(2×2网格) #### 3. 常见错误及解决 **错误1:输入维度不匹配** ```python # 错误示例:输入为3D张量 x = torch.randn(3, 4, 4) F.unfold(x, 3) # 报错:unfold需要4D输入 ``` ✅ 解决方案:添加批次维度 ```python x = x.unsqueeze(0) # 转换为(1,3,4,4) ``` **错误2:窗口超出边界** ```python # 当kernel_size=5时,4x4输入无法容纳 F.unfold(x, kernel_size=5) # 报错:计算输出大小时出现负数 ``` ✅ 解决方案: ```python F.unfold(x, kernel_size=5, padding=2) # 添加填充 ``` **错误3:步长过大导致维度消失** ```python F.unfold(x, kernel_size=3, stride=4) # 输出形状[2,27,1] ``` ❗ 此时每个维度只能滑动一次,可能不符合预期需求,应调整参数组合。 #### 4. 应用场景 - 自定义卷积实现 - 局部特征统计分析 - 图像块处理(如分块降噪) - 视觉Transformer中的patch embedding[^4] #### 5. 高阶技巧 ```python # 带膨胀的展开 unfold_dilated = F.unfold(x, kernel_size=3, dilation=2) # 输出形状计算: # 有效窗口尺寸 = 3 + (3-1)*(2-1) = 5 # 输出空间维度 = (4-5+1) = 0 → 需添加padding=2 ```
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