转置卷积
1.卷积不会增大输入的高宽，要么不变，要么减半
2.转置卷积可以用来增大输入高宽
3.用id卷积卷，增大卷积核的数量可以达到增大特征图的目的
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
输入矩阵X和卷积核矩阵K实现基本的转置卷积运算trans_conv。
def trans_conv(X, K):
h, w = K.shape
Y = torch.zeros((X.shape[0] + h - 1, X.shape[1] + w - 1))
for i in range(X.shape[0]):
for j in range(X.shape[1]):
Y[i: i + h, j: j + w] += X[i, j] * K
return Y
构建输入张量X和卷积核张量K从而验证上述实现输出。 此实现是基本的二维转置卷积运算。
X = torch.tensor([[0.0, 1.0], [2.0, 3.0]])
K = torch.tensor([[0.0, 1.0], [2.0, 3.0]])
trans_conv(X, K)
tensor([[ 0., 0., 1.],
[ 0., 4., 6.],
[ 4., 12., 9.]])
当输入X和卷积核K都是四维张量时，我们可以使用高级API获得相同的结果。
X, K = X.reshape(1, 1, 2, 2), K.reshape(1, 1, 2, 2)
tconv = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=2, bias=False)
tconv.weight.data = K
tconv(X)
tensor([[[[ 0., 0., 1.],
[ 0., 4., 6.],
[ 4., 12., 9.]]]], grad_fn=<ConvolutionBackward0>)
填充、步幅和多通道
与常规卷积不同，在转置卷积中，填充被应用于的输出（常规卷积将填充应用于输入）。
tconv = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=2, padding=1, bias=False)
tconv.weight.data = K
tconv(X)
tensor([[[[4.]]]], grad_fn=<ConvolutionBackward0>)
验证步幅为2的转置卷积的输出。
tconv = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=2, stride=2, bias=False)
tconv.weight.data = K
tconv(X)
tensor([[[[0., 0., 0., 1.],
[0., 0., 2., 3.],
[0., 2., 0., 3.],
[4., 6., 6., 9.]]]], grad_fn=<ConvolutionBackward0>)
X = torch.rand(size=(1, 10, 16, 16))
conv = nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5, padding=2, stride=3)
tconv = nn.ConvTranspose2d(20, 10, kernel_size=5, padding=2, stride=3)
tconv(conv(X)).shape == X.shape
True
定义了一个3X3的输入X和2X2卷积核K，然后使用corr2d函数计算卷积输出Y。
X = torch.arange(9.0).reshape(3, 3)
K = torch.tensor([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0]])
Y = d2l.corr2d(X, K)
Y
tensor([[27., 37.],
[57., 67.]])
将卷积核K重写为包含大量0的稀疏权重矩阵W。 权重矩阵的形状是（4，9），其中非0元素来自卷积核K。
def kernel2matrix(K):
k, W = torch.zeros(5), torch.zeros((4, 9))
k[:2], k[3:5] = K[0, :], K[1, :]
W[0, :5], W[1, 1:6], W[2, 3:8], W[3, 4:] = k, k, k, k
return W
W = kernel2matrix(K)
W
tensor([[1., 2., 0., 3., 4., 0., 0., 0., 0.],
[0., 1., 2., 0., 3., 4., 0., 0., 0.],
[0., 0., 0., 1., 2., 0., 3., 4., 0.],
[0., 0., 0., 0., 1., 2., 0., 3., 4.]])
逐行连结输入X，获得了一个长度为9的矢量。 然后，W的矩阵乘法和向量化的X给出了一个长度为4的向量。 重塑它之后，可以获得与上面的原始卷积操作所得相同的结果Y：我们刚刚使用矩阵乘法实现了卷积。
Y == torch.matmul(W, X.reshape(-1)).reshape(2, 2)
tensor([[True, True],
[True, True]])
将上面的常规卷积2X2的输出Y作为转置卷积的输入。 想要通过矩阵相乘来实现它，我们只需要将权重矩阵W的形状转置为（9，4）。
Z = trans_conv(Y, K)
Z == torch.matmul(W.T, Y.reshape(-1)).reshape(3, 3)
tensor([[True, True, True],
[True, True, True],
[True, True, True]])
