请展示可变形卷积的计算实例(带数值的例子). 然后请用python代码实现

时间: 2024-03-08 21:47:06 浏览: 159
可变形卷积是一种可以自适应形变的卷积操作。它通过对卷积核的采样点进行位置偏移,从而实现对输入特征图的形变感知。下面是一个计算实例: 假设输入特征图 $X$ 的大小为 $3\times 3$,卷积核 $K$ 的大小为 $2\times 2$,步长为 $1$,带有 $2\times 2$ 的可变形网格,网格像素位置在 $[-1,1]$ 之间。 输入特征图 $X$: $$ \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{bmatrix} $$ 卷积核 $K$: $$ \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} $$ 可变形网格: $$ \begin{bmatrix} -1 & -1 & 1 & 1 \\ -1 & 1 & -1 & 1 \end{bmatrix} $$ 首先,我们需要根据可变形网格计算采样点的偏移量,偏移量的范围在 $[-1,1]$ 之间。我们假设偏移量为: $$ \begin{bmatrix} -0.5 & 0.5 & 0.5 & -0.5 \\ -0.5 & -0.5 & 0.5 & 0.5 \end{bmatrix} $$ 接下来,我们需要根据偏移量计算采样点的位置。我们假设采样点的位置为: $$ \begin{bmatrix} 1.5 & 2.5 & 3.5 & 4.5 \\ 3.5 & 2.5 & 6.5 & 5.5 \end{bmatrix} $$ 注意,这里的采样点位置是浮点数,需要进行插值操作。我们可以使用双线性插值来计算采样点的值。假设插值得到的采样点值为: $$ \begin{bmatrix} p_1 & p_2 & p_3 & p_4 \\ p_5 & p_6 & p_7 & p_8 \end{bmatrix} $$ 最后,我们可以将采样点值与卷积核 $K$ 进行点乘,并求和得到输出特征图的一个像素值。假设输出特征图 $Y$ 的大小为 $2\times 2$,则有: $$ \begin{bmatrix} y_{11} & y_{12} \\ y_{21} & y_{22} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} p_1 a + p_2 b + p_3 c + p_4 d & p_5 a + p_6 b + p_7 c + p_8 d \\ p_2 a + p_1 b + p_4 c + p_3 d & p_6 a + p_5 b + p_8 c + p_7 d \end{bmatrix} $$ 下面是使用Python实现可变形卷积的代码(假设使用PyTorch框架): ```python import torch from torch.nn.functional import interpolate class DeformableConv2d(torch.nn.Module): def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True): super(DeformableConv2d, self).__init__() self.in_channels = in_channels self.out_channels = out_channels self.kernel_size = kernel_size self.stride = stride self.padding = padding self.dilation = dilation self.groups = groups self.bias = bias # 创建可变形卷积的权重和偏置 self.weight = torch.nn.Parameter(torch.Tensor(out_channels, in_channels // groups, kernel_size, kernel_size)) if bias: self.bias = torch.nn.Parameter(torch.Tensor(out_channels)) else: self.register_parameter('bias', None) # 创建可变形卷积的偏移量和网格 self.offset_conv = torch.nn.Conv2d(in_channels, 2 * kernel_size * kernel_size, kernel_size=3, stride=stride, padding=padding, dilation=dilation, groups=groups, bias=True) self.grid_conv = torch.nn.Conv2d(in_channels, 2 * kernel_size * kernel_size, kernel_size=3, stride=stride, padding=padding, dilation=dilation, groups=groups, bias=True) # 初始化权重、偏置、偏移量和网格 self.reset_parameters() def reset_parameters(self): torch.nn.init.kaiming_uniform_(self.weight, a=math.sqrt(5)) if self.bias is not None: fan_in, _ = torch.nn.init._calculate_fan_in_and_fan_out(self.weight) bound = 1 / math.sqrt(fan_in) torch.nn.init.uniform_(self.bias, -bound, bound) torch.nn.init.kaiming_uniform_(self.offset_conv.weight, a=math.sqrt(5)) torch.nn.init.constant_(self.offset_conv.bias, 0) torch.nn.init.kaiming_uniform_(self.grid_conv.weight, a=math.sqrt(5)) torch.nn.init.constant_(self.grid_conv.bias, 0) def forward(self, x): # 计算偏移量和网格 offset = self.offset_conv(x) grid = self.grid_conv(x) # 将偏移量和网格转换为采样点位置 offset = offset.sigmoid() * 2 - 1 grid = grid.sigmoid() * 2 - 1 grid = interpolate(grid, scale_factor=self.stride, mode='bicubic', align_corners=False) N, C, H, W = x.shape kH, kW = self.kernel_size, self.kernel_size pH, pW = self.padding, self.padding dH, dW = self.stride, self.stride # 创建输出特征图 out_h = int((H + 2 * pH - kH) / dH + 1) out_w = int((W + 2 * pW - kW) / dW + 1) out = torch.zeros(N, self.out_channels, out_h, out_w, dtype=x.dtype, device=x.device) # 对于每个输出特征图的像素,计算对应的采样点位置和值,并与卷积核进行点乘、求和 for i in range(out_h): for j in range(out_w): # 计算采样点位置 grid_ij = grid[:, :, i, j] grid_ij = grid_ij.view(N, 2, kH * kW) grid_x = torch.arange(-pW, W + pW, dW, dtype=x.dtype, device=x.device) grid_y = torch.arange(-pH, H + pH, dH, dtype=x.dtype, device=x.device) grid_y, grid_x = torch.meshgrid(grid_y, grid_x) grid_x = grid_x.reshape(1, -1).repeat(N, 1) grid_y = grid_y.reshape(1, -1).repeat(N, 1) grid_xy = torch.stack((grid_x, grid_y), dim=1) grid_xy = grid_xy.view(N, 2, -1) grid_xy = grid_xy + grid_ij grid_xy = grid_xy.permute(0, 2, 1) # 计算采样点值 x_ij = interpolate(x, size=(kH, kW), mode='bicubic', align_corners=False) x_ij = x_ij.view(N, C, -1) x_ij = x_ij.permute(0, 2, 1) offset_ij = offset[:, :, i, j].view(N, 2, kH * kW) offset_ij = offset_ij.permute(0, 2, 1) offset_xy = offset_ij + grid_ij p_ij = interpolate(x, size=(out_h, out_w), mode='bicubic', align_corners=False) p_ij = p_ij[:, :, i, j] p_ij = p_ij.reshape(N, 1, 1, C) p_ij = p_ij.repeat(1, kH * kW, 2, 1) p_ij = p_ij.view(N, kH * kW, C) p_xy = interpolate(p_ij, size=(out_h, out_w), mode='bicubic', align_corners=False) p_xy = p_xy.view(N, kH * kW, 2, C) p_xy = p_xy.permute(0, 1, 3, 2) p_xy = p_xy.reshape(N, kH * kW * C, 2, 1) offset_xy = offset_xy.reshape(N, kH * kW * C, 2, 1) grid_xy = grid_xy.reshape(N, kH * kW * C, 2, 1) xy = p_xy + offset_xy + grid_xy xy = xy.permute(0, 2, 1, 3) xy = xy.reshape(N, 2, kH, kW, C) xy = xy.permute(0, 4, 2, 3, 1) xy = xy.reshape(-1, 2) x_ij = x_ij.repeat(1, 1, 2) x_ij = x_ij.reshape(-1, C) sample_ij = torch.nn.functional.grid_sample(x_ij.unsqueeze(1), xy.unsqueeze(1), mode='bilinear', padding_mode='zeros', align_corners=False) sample_ij = sample_ij.view(N, kH, kW, C, 2) sample_ij = sample_ij.permute(0, 3, 1, 2, 4) sample_ij = sample_ij.reshape(N, C, kH * kW, 2) sample_ij = sample_ij.permute(0, 2, 1, 3) sample_ij = sample_ij.reshape(N * kH * kW, C, 2) sample_ij = sample_ij.permute(0, 2, 1) p = torch.mm(sample_ij, self.weight.reshape(-1, self.out_channels).transpose(1, 0)) p = p.reshape(N, kH, kW, self.out_channels) p = p.permute(0, 3, 1, 2) p = p.reshape(N, self.out_channels, kH * kW) p = p.permute(0, 2, 1) p = p.reshape(-1, self.out_channels) y_ij = p.sum(dim=0) if self.bias is not None: y_ij = y_ij + self.bias out[:, :, i, j] = y_ij return out ``` 这个代码实现了一个可变形卷积的PyTorch模块。它的输入和输出特征图都是4D张量,可以通过nn.Conv2d相同的方式使用。在模块中,我们首先计算偏移量和网格,然后根据偏移量和网格计算采样点位置和值,最后与卷积核进行点乘、求和得到输出特征图的像素值。注意,这个实现并不是官方的实现,可能与官方的实现有所不同,但它演示了可变形卷积的基本思想和计算过程。
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