都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧-- Padding篇

Posted 2021-12-11 奋斗丶

导读

本篇文章主要介绍CNN中常见的填充方式Padding，Padding在CNN中用的很多，是CNN必不可少的组成部分，使用Padding的目的主要是为了调整输出的大小，是必须搞清楚的知识点。如果你想继续了解深度学习，那么请看下去吧！

目前深度学习系列已经更新了6篇文章，分别是激活函数篇、卷积篇、损失函数篇、下采样篇、评估指标篇，另有1篇保姆级入门教程，1篇总结性文章CNN中十大令人拍案叫绝的操作，想要入门深度学习的同学不容错过！

一、Padding介绍

1.1 什么是Padding

在进行卷积层的处理之前，有时要向输入数据的周围填入固定的数据（比如0、1等），这称为填充（padding），是卷积运算中经常会用到的处理。例如，向下列tensor中使用幅度为1像素为0的填充。

虚线部分表示是填充的数据，这里省略了填充的内容0。

1.2 为什么要使用Padding

• 1.使用填充主要是为了调整输出的大小。比如，对大小为(4, 4)的输入数据应用(3, 3)的滤波器时，输出大小变为(2, 2)，相当于输出大小比输入大小缩小了 2个元素。这在反复进行多次卷积运算的深度网络中会成为问题。为什么呢？因为如果每次进行卷积运算都会缩小空间，那么在某个时刻输出大小就有可能变为 1，导致无法再应用卷积运算。为了避免出现这样的情况，就要使用填充。在刚才的例子中，将填充的幅度设为 1，那么相对于输入大小(4, 4)，输出大小也保持为原来的(4, 4)。因此，卷积运算就可以在保持空间大小不变的情况下将数据传给下一层。
• 2.越是边缘的像素点，对于输出的影响越小，因为卷积运算在移动的时候到边缘就结束了。中间的像素点有可能会参与多次计算，但是边缘像素点可能只参与一次。所以结果可能会丢失边缘信息。使用Padding可以在一定程度上保留边界信息。

二、常见的Padding方式

这里我会以图示的方式尽量将每种填充方式都阐述清楚，CNN中用到的填充方式无非就是下面的四种，最常用的是填0的Padding，另镜面Padding在Unet论文中使用过，感兴趣的同学可以自行下载去阅读！

Unet：Unet论文链接

2.1 填0Padding

原tensor：

[[-0.1678, -0.4418,  1.9466],
 [ 0.9604, -0.4219, -0.5241],
 [-0.9162, -0.5436, -0.6446]]

经过Padding（幅度为2，填充为0）后：

[[ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000],
 [ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000],
 [ 0.0000,  0.0000, -0.1678, -0.4418,  1.9466,  0.0000,  0.0000],
 [ 0.0000,  0.0000,  0.9604, -0.4219, -0.5241,  0.0000,  0.0000],
 [ 0.0000,  0.0000, -0.9162, -0.5436, -0.6446,  0.0000,  0.0000],
 [ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000],
 [ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000]]

2.2 镜面Padding

原始tensor：

[[0., 1., 2.],
[3., 4., 5.],
[6., 7., 8.]]

经过镜面Padding之后：

[[8., 7., 6., 7., 8., 7., 6.],
 [5., 4., 3., 4., 5., 4., 3.],
 [2., 1., 0., 1., 2., 1., 0.],
 [5., 4., 3., 4., 5., 4., 3.],
 [8., 7., 6., 7., 8., 7., 6.],
 [5., 4., 3., 4., 5., 4., 3.],
 [2., 1., 0., 1., 2., 1., 0.]]

通俗解释一下镜面Padding是如何实现的，其实原理也很简单，跟初中物理学过的镜面反射原理是一样的，分别以原始tensor的四条边为镜面，然后进行反射，即可得到镜面Padding之后的tensor了。

2.3 填连续值Padding

原始tensor：

[[ 1.6585,  0.4320],
 [-0.8701, -0.4649]]

经过Padding（幅度为2，填充为3.5）之后，变为下列所示的tensor：

[[ 3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000],
 [ 3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000],
 [ 3.5000,  3.5000,  1.6585,  0.4320,  3.5000,  3.5000],
 [ 3.5000,  3.5000, -0.8701, -0.4649,  3.5000,  3.5000],
 [ 3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000],
 [ 3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000,  3.5000]]

2.4 使用输入tensor的边缘Padding

原始tensor：

[[0., 1., 2.],
 [3., 4., 5.],
 [6., 7., 8.]]

经过Padding（幅度为2）后的tensor：

[[0., 0., 0., 1., 2., 2., 2.],
 [0., 0., 0., 1., 2., 2., 2.],
 [0., 0., 0., 1., 2., 2., 2.],
 [3., 3., 3., 4., 5., 5., 5.],
 [6., 6., 6., 7., 8., 8., 8.],
 [6., 6., 6., 7., 8., 8., 8.],
 [6., 6., 6., 7., 8., 8., 8.]]

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计划

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1个字，绝! – CNN中十大令人拍案叫绝的操作
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都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（二）-- 卷积篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（三）-- 损失函数篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（四）-- 上采样篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（五）-- 下采样篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（六）-- Padding篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（七）-- 评估指标篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（八）-- 优化算法篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（九）-- 注意力机制篇
都2021年了，不会还有人连深度学习还不了解吧？（十）-- 数据归一化篇

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