卷积变体-----分组卷积、深度可分离卷积、膨胀卷积

本文主要是介绍卷积变体-----分组卷积、深度可分离卷积、膨胀卷积，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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一、分组卷积

1.1 概述

 1. 分组卷积（Group convolution ）最早在AlexNet中出现，由于当时的硬件资源有限，训练AlexNet时卷积操作不能全部放在同一个GPU处理，因此把特征图分给多个GPU分别进行处理，最后把多个GPU的结果进行融合。

 2. 一般的卷积会对输入数据的整体一起做卷积操作。而组卷积则是在深度上进行划分，即某几个通道编为一组，对输入数据做组合卷积操作。

1.2 参数量变换

 1. 标准的 $2D$ 卷积步骤如下图所示：输入特征为：$H\times W\times C$，然后应用 $C^{\prime }$ 个卷积核组（每个卷积核组的大小为 $h\times w\times c$），输入层被转换为大小为 $H^{\prime }\times W^{\prime }\times C^{\prime }$ 的输出特征。

 2. 分组卷积的表示如下图所示。我们计算一下标准 $2D$ 卷积 和分组卷积的参数量：
 标准 $2D$ 卷积：$w\times h\times C\times C^{\prime }$
 分组卷积：$w\times h\times C/2\times C^{\prime }/2\times 2$
 我们可以发现参数量减少到原来的 $1/2$，那当Group为4的时候，参数量将会减少到原来的 $1/4$。

二、深度可分离卷积

2.1 概述

 1. 在深度可分离卷积（depthwise separable convolution）中，通常将卷积操作拆分成多个步骤。深度可分离卷积把普通卷积拆分成 $DW$ 卷积（Depthwise Convolution，深度卷积）和 $PW$ 卷积（Point Convolution，点卷积）两部分。即：深度可分离卷积 = 深度卷积 + 点卷积。

 2. 深度卷积完成后的特征图数量与输入层的通道数相同。但这种运算对输入层的每个通道独立进行卷积运算，没有有效地利用不同通道在相同空间位置上的特征信息。因此需要点卷积来将这些特征图进行组合生成新的特征图。

 3. 举例：
 (1) 在第一部分深度卷积中，我们在不改变深度的情况下，对输入图像进行了分组卷积。我们使用 $3$ 个 $5\times 5\times 1$ 形状的卷积核。每个 $5\times 5\times 1$ 卷积核迭代图像的 $1$ 个通道（注意：$1$ 个通道，而不是所有通道），得到 $3$ 个 $8\times 8\times 1$ 的图像。将这些图像叠加在一起可创建 $8\times 8\times 3$ 的图像。

 (2) 点卷积的运算与常规卷积运算非常相似，它的卷积核的尺寸为 $1\times 1\times M$，$M$ 为上一层的通道数。所以这里的卷积运算会将上一步的图像在深度方向上进行加权组合，生成新的特征图。有几个卷积核就有几个输出图像。
 点向卷积之所以如此命名是因为它使用了一个 $1\times 1$ 卷积核，我们通过 $1\times 1\times 3$ 卷积核迭代 $8\times 8\times 3$ 图像，得到 $8\times 8\times 1$ 图像。我们可以创建 $256$ 个 $1\times 1\times 3$ 卷积核，每个卷积核输出一个 $8\times 8\times 1$ 图像，全部叠加到一起得到形状为 $8\times 8\times 256$ 的最终图像。

2.2 计算

 用上面这个例子：
 普通卷积参数量为：$3\times 256\times 5\times 5$
 深度可分离卷积参数量为：$3\times 5\times 5+3\times 256\times 1\times 1$

三、膨胀卷积

 1. 膨胀卷积与普通的卷积相比，除了卷积核的大小以外，还有一个膨胀率（dilation rate）参数，主要用来表示膨胀的大小。卷积核的膨胀率（dilate rate）属性定义为卷积核的元素间距。如 dilate rate=2 是每隔一个像素位置应用一个卷积元素，dilate rate=1 就是普通的卷积。具体含义就是在卷积核中填充 dilation rate 个 0。

 2. (a) 是普通卷积，1-dilated convolution，卷积核的感受野为 $3\times 3=9$； (b) 是膨胀卷积，2-dilated convolution，卷积核的感受野为 $5\times 5=25$；（c) 是膨胀卷积，4-dilated convolution，卷积核的感受野为 $9\times 9=81$。

 3. 卷积核经过膨胀后实际参与运算的卷积大小计算公式：膨胀后的卷积核尺寸 = 膨胀系数 $\times$ (原始卷积核尺寸$-1$）$+1$

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