im2col：将卷积运算转为矩阵相乘
发表于 2019-04-26 更新于 2019-05-15 分类于 深度学习 阅读次数： 28
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im2col实现
如何将卷积运算转为矩阵相乘？直接看下面这张图，以下图片来自论文High Performance Convolutional Neural Networks for Document Processing：
im2col
上图为3D卷积的传统计算方式与矩阵乘法计算方式的对比，传统卷积运算是将卷积核以滑动窗口的方式在输入图上滑动，当前窗口内对应元素相乘然后求和得到结果，一个窗口一个结果。相乘然后求和恰好也是向量内积的计算方式，所以可以将每个窗口内的元素拉成向量，通过向量内积进行运算，多个窗口的向量放在一起就成了矩阵，每个卷积核也拉成向量，多个卷积核的向量排在一起也成了矩阵，于是，卷积运算转化成了矩阵运算
>>> ： 现在是卷积 -> 矩阵乘法？能否尝试各种矩阵乘法，反推卷积形式？
deformable conv 对应的是什么矩阵乘法？
下图为转化后的矩阵尺寸，padding为0：
EmzaRO.png
代码上怎么实现呢？这里参看一下SeetaFaceEngine/FaceIdentification/src/conv_net.cpp 中的代码，与上面的图片对照着看比较直观。
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src_num个输入，每个尺寸为 src_channels * src_h * src_w，卷积核尺寸为kernel_size = src_channels * kernel_h * kernel_w，将每个输入转化为二维矩阵，尺寸为(dst_h * dst_w) * (kernel_size)，可以看到最内层循环在逐行拷贝当前窗口内的元素，窗口大小与卷积核大小相同，一次拷贝kernel_w个元素，一个窗口内要拷贝src_channels*kernel_h次，因此一个窗口共拷贝了kernel_size个元素，共拷贝dst_h * dst_w个窗口，因此输入对应的二维矩阵尺寸为(dst_h * dst_w) * (kernel_size)。对于卷积核，有dst_channels= weight->num();个卷积核，因为是行有先存储，卷积核对应的二维矩阵尺寸为dst_channels*(kernel_size)。逻辑上虽然为矩阵乘法，实现时两个矩阵逐行内积即可。
优缺点分析
将卷积运算转化为矩阵乘法，从乘法和加法的运算次数上看，两者没什么差别，但是转化成矩阵后，运算时需要的数据被存在连续的内存上，这样访问速度大大提升（cache），同时，矩阵乘法有很多库提供了高效的实现方法，像BLAS、MKL等，转化成矩阵运算后可以通过这些库进行加速。
缺点呢？这是一种空间换时间的方法，消耗了更多的内存——转化的过程中数据被冗余存储。
参考
- 在 Caffe 中如何计算卷积？
- High Performance Convolutional Neural Networks for Document Processing
- algorithm convolution / filter and cross-correlation and implementation
- Convolution in Caffe: a memo
原文地址：https://www.cnblogs.com/cx2016/p/11380662.html