PyTorch学习笔记(10)——上采样和PixelShuffle

去年曾经使用过FCN（全卷积神经网络）及其派生Unet，再加上在爱奇艺的时候做过一些超分辨率重建的内容，其中用到了毕业于帝国理工的华人博士Shi Wenzhe（在Twitter任职）发表的PixelShuffle《Real-Time Single Image and Video Super-Resolution Using an Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network
》的论文。PyTorch 0.4.1将这些上采样的方式定义为Vision Layers，现在对这4种在PyTorch中的上采样方法进行介绍。

0. 什么是上采样？

上采样，在深度学习框架中，可以简单的理解为**任何可以让你的图像变成更高分辨率的技术。**最简单的方式是重采样和插值：将输入图片input image进行rescale到一个想要的尺寸，而且计算每个点的像素点，使用如双线性插值bilinear等插值方法对其余点进行插值。

Unpooling是在CNN中常用的来表示max pooling的逆操作。这是从2013年纽约大学Matthew D. Zeiler和Rob Fergus发表的《Visualizing and Understanding Convolutional Networks》中引用的：因为max pooling不可逆，因此使用近似的方式来反转得到max pooling操作之前的原始情况：

记住max pooling做的时候的size，比如下图的一个4x4的矩阵，max pooling的size为2x2，stride为2，反卷积操作需要记住最大值的位置，将其余位置至为0就行。

Deconvolution(反卷积)在CNN中常用于表示一种反向卷积，但它并不是一个完全符合数学规定的反卷积操作。

与Unpooling不同，使用反卷积来对图像进行上采样是可以习得的。通常用来对卷积层的结果进行上采样，使其回到原始图片的分辨率。
反卷积也被称为分数步长卷积(convolution with fractional strides)或者转置卷积(transpose convolution)或者后向卷积backwards strided convolution。
真正的反卷积如wikipedia里面所说，但是不会有人在实际的CNN结构中使用它。

1. `Vision Layer`

在PyTorch中，上采样的层被封装在torch.nn中的Vision Layers里面，一共有4种：

① PixelShuffle
② Upsample
③ UpsamplingNearest2d
④ UpsamplingBilinear2d

下面，将对其分别进行说明

1.1 PixelShuffle

正常情况下，卷积操作会使feature map的高和宽变小。

但当我们的stride=1r<1\frac{1}{r} < 1r1<1 时，可以让卷积后的feature map的高和宽变大——即分辨率增大，这个新的操作叫做sub-pixel convolution，具体原理可以看PixelShuffle《Real-Time Single Image and Video Super-Resolution Using an Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network
》的论文。

pixelshuffle算法的实现流程如上图，其实现的功能是：将一个H × W的低分辨率输入图像（Low Resolution），通过Sub-pixel操作将其变为rH x rW的高分辨率图像（High Resolution）。

但是其实现过程不是直接通过插值等方式产生这个高分辨率图像，而是通过卷积先得到r2r^2r2个通道的特征图（特征图大小和输入低分辨率图像一致），然后通过周期筛选（periodic shuffing）的方法得到这个高分辨率的图像，其中rrr为上采样因子（upscaling factor），也就是图像的扩大倍率。

定义

该类定义如下：

class torch.nn.PixleShuffle(upscale_factor)

这里的upscale_factor就是放大的倍数，数据类型为int。
以四维输入(N,C,H,W)为例，Pixelshuffle会将为(∗,r2Cr^2Cr2C,H,W)的Tensor给reshape成(∗,C,rH,rW)的Tensor。形式化地说，它的输入输出的shape如下：

输入: (N,C x upscale_factor2^22,H,W)
输出: (N,C,H x upscale_factor,W x upscale_factor)

例子

>>> ps = nn.PixelShuffle(3)
>>> input = torch.tensor(1, 9, 4, 4)
>>> output = ps(input)
>>> print(output.size())
torch.Size([1, 1, 12, 12])

怎么样，是不是看起来挺简单的？我将在最后完整的介绍一下1）转置卷积 2）sub-pixel 卷积
3）反卷积以及pixelshuffle这几个知识点。

1.2 Upsample（新版本中推荐使用`torch.nn.functional.interpolate`）

对给定多通道的1维（temporal）、2维（spatial）、3维（volumetric）数据进行上采样。

对volumetric输入（3维——点云数据），输入数据Tensor格式为5维：minibatch x channels x depth x height x width
对spatial输入（2维——jpg、png等数据），输入数据Tensor格式为4维：minibatch x channels x height x width
对temporal输入（1维——向量数据），输入数据Tensor格式为3维：minibatch x channels x width

此算法支持最近邻，线性插值，双线性插值，三次线性插值对3维、4维、5维的输入Tensor分别进行上采样（Upsample）。

定义

该类定义如下：

class torch.nn.Upsample(size=None, scale_factor=None, mode='nearest', align_corners=None)

其中：

size 是要输出的尺寸，数据类型为tuple： ([optional D_out], [optional H_out], W_out)
scale_factor 在高度、宽度和深度上面的放大倍数。数据类型既可以是int——表明高度、宽度、深度都扩大同一倍数；亦或是tuple——指定高度、宽度、深度的扩大倍数。
mode 上采样的方法，包括最近邻（nearest），线性插值（linear），双线性插值（bilinear），三次线性插值（trilinear），默认是最近邻（nearest）。
align_corners 如果设为True，输入图像和输出图像角点的像素将会被对齐（aligned），这只在mode = linear, bilinear, or trilinear才有效，默认为False。

例子

>>> input = torch.arange(1, 5).view(1, 1, 2, 2).float()
>>> input
tensor([[[[ 1.,  2.],[ 3.,  4.]]]])>>> m = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
>>> m(input)
tensor([[[[ 1.,  1.,  2.,  2.],[ 1.,  1.,  2.,  2.],[ 3.,  3.,  4.,  4.],[ 3.,  3.,  4.,  4.]]]])>>> m = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear')  # align_corners=False
>>> m(input)
tensor([[[[ 1.0000,  1.2500,  1.7500,  2.0000],[ 1.5000,  1.7500,  2.2500,  2.5000],[ 2.5000,  2.7500,  3.2500,  3.5000],[ 3.0000,  3.2500,  3.7500,  4.0000]]]])>>> m = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
>>> m(input)
tensor([[[[ 1.0000,  1.3333,  1.6667,  2.0000],[ 1.6667,  2.0000,  2.3333,  2.6667],[ 2.3333,  2.6667,  3.0000,  3.3333],[ 3.0000,  3.3333,  3.6667,  4.0000]]]])>>> # Try scaling the same data in a larger tensor
>>>
>>> input_3x3 = torch.zeros(3, 3).view(1, 1, 3, 3)
>>> input_3x3[:, :, :2, :2].copy_(input)
tensor([[[[ 1.,  2.],[ 3.,  4.]]]])
>>> input_3x3
tensor([[[[ 1.,  2.,  0.],[ 3.,  4.,  0.],[ 0.,  0.,  0.]]]])>>> m = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear')  # align_corners=False
>>> # Notice that values in top left corner are the same with the small input (except at boundary)
>>> m(input_3x3)
tensor([[[[ 1.0000,  1.2500,  1.7500,  1.5000,  0.5000,  0.0000],[ 1.5000,  1.7500,  2.2500,  1.8750,  0.6250,  0.0000],[ 2.5000,  2.7500,  3.2500,  2.6250,  0.8750,  0.0000],[ 2.2500,  2.4375,  2.8125,  2.2500,  0.7500,  0.0000],[ 0.7500,  0.8125,  0.9375,  0.7500,  0.2500,  0.0000],[ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000]]]])>>> m = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='bilinear', align_corners=True)
>>> # Notice that values in top left corner are now changed
>>> m(input_3x3)
tensor([[[[ 1.0000,  1.4000,  1.8000,  1.6000,  0.8000,  0.0000],[ 1.8000,  2.2000,  2.6000,  2.2400,  1.1200,  0.0000],[ 2.6000,  3.0000,  3.4000,  2.8800,  1.4400,  0.0000],[ 2.4000,  2.7200,  3.0400,  2.5600,  1.2800,  0.0000],[ 1.2000,  1.3600,  1.5200,  1.2800,  0.6400,  0.0000],[ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000]]]])

1.3 UpsamplingNearest2d

本质上其实就是对jpg、png等格式图像数据的Upsample(mode='nearest')。

定义

 class torch.nn.UpsamplingNearest2d(size=None, scale_factor=None)

输入输出：

例子

>>> input = torch.arange(1, 5).view(1, 1, 2, 2)
>>> input
tensor([[[[ 1.,  2.],[ 3.,  4.]]]])>>> m = nn.UpsamplingNearest2d(scale_factor=2)
>>> m(input)
tensor([[[[ 1.,  1.,  2.,  2.],[ 1.,  1.,  2.,  2.],[ 3.,  3.,  4.,  4.],[ 3.,  3.,  4.,  4.]]]])

1.4 UpsamplingBilinear2d

跟1.3类似，本质上其实就是对jpg、png等格式图像数据的Upsample(mode='bilinear')。

定义

 class torch.nn.UpsamplingBilinear2d(size=None, scale_factor=None)

输入输出：

例子

>>> input = torch.arange(1, 5).view(1, 1, 2, 2)
>>> input
tensor([[[[ 1.,  2.],[ 3.,  4.]]]])>>> m = nn.UpsamplingBilinear2d(scale_factor=2)
>>> m(input)
tensor([[[[ 1.0000,  1.3333,  1.6667,  2.0000],[ 1.6667,  2.0000,  2.3333,  2.6667],[ 2.3333,  2.6667,  3.0000,  3.3333],[ 3.0000,  3.3333,  3.6667,  4.0000]]]])

2. 知识回顾

本段主要转自《一边Upsample一边Convolve：Efficient Sub-pixel-convolutional-layers详解
》

2.1 Transposed convolution(转置卷积)

下面以一维向量进行卷积为例进行说明（stride=2），x为输入y为输出，通过1维卷积核/滤波器f来实现这个过程，x的size为8，f为[1, 2, 3, 4]，y为5，x中灰色的方块表示用0进行padding。在f权重中的灰色方块代表f中某些值与x中的0进行了相乘。下图就是1维卷积的过程，从x到y。

容易地，可以发现1维卷积的方式很直观，那么什么是转置卷积呢？故名思意，就是将卷积倒过来：

如上图所示，1维卷积核/滤波器被转过来了，这里进行一下额外的说明：
假设x = [x1x_1x1, x2x_2x2, …, x5x_5x5]，y = [y1y_1y1, y2y_2y2, …, y12y_{12}y12]，则最上面的白色块体对应的是y3y_3y3。那么：
y3y_3y3 = 3x1+x23x_1 + x_23x1+x2

2.2 Sub-pixel convolution

还是以一维卷积为例，输入为x = [x1x_1x1, x2x_2x2, …, x5x_5x5]，输出为y = [y1y_1y1, y2y_2y2, …, y12y_{12}y12]。sub-pixel convolution（stride=1/2）如图：

在1.1 PixelShuffle中说过，sub-pixel convolution的步长是介于0到1之间的，但是这个操作是如何实现的呢？简而言之，分为两步：

① 将stride设为1
② 将输入数据dilation(以stride=1/2为例，sub-pixel是将输入x的元素之间插入一些元素0，并在前后补上一些元素0)，或者说根据分数索引（fractional indices）重新创建数据的排列形式。

2.3 Deconvolution

这里以2维卷积来进行演示，输入一个4 x 4的单通道图像，卷积核取1个4 x 4的，假设这里取上采样比例为2，那么我们的目标就是恢复成一个8 x 8的单通道图像。

如上图，我们首先通过fractional indices从原input中创建一个sub-pixel图像，其中白色的像素点就是原input中的像素（在LR sapce中），灰色像素点则是通过zero padding而来的。

用一个4 x 4的卷积核来和刚才生成的sub-pixel图像进行stride=1的卷积，首先发现卷积核和sub-pixel图像中非零的像素进行了第一次有效卷积（图中紫色像素代表被激活的权重），然后我们将sub-pixels整体向右移动一格，让卷积核再进行一次卷积操作，会发现卷积核中蓝色像素的权重被激活，同理绿色和红色（注意这里是中间的那个8×8的sub-pixel图像中的白色像素点进行移动，而每次卷积的方式都相同）。

最后我们输出得到8 x 8的高分辨率图像（HR图像），HR图像和sub-pixel图像的大小是一致的，我们将其涂上颜色，颜色代表卷积核中权重和sub-pixel图像中哪个像素点进行了卷积（也就是哪个权重对对应的像素进行了贡献）。

Deconvlution的动态过程可见我之前翻译过的一篇文章《CNN概念之上采样，反卷积，Unpooling概念解释》

显然，我们可以看出，紫、蓝、绿、红四部分是相互独立的，那么，可以将这个4 x 4的卷积核分成4个2 x 2的卷积核如下：

注意，这个操作是可逆的。因为每个卷积权重在操作过程中都是独立的。

因此，我们可以直接对原始图像（未经过sub-pixel处理）直接进行2 x 2的卷积，并对输出进行周期筛选（periodic shuffling）来得到同样的8 x 8的高分辨率图像。

3. 说明

在新版本PyTorch中，这些插值Vision Layer都不推荐使用了，官方的说法是将其放在了torch.nn.functional.interpolate中，用此方法可以更个性化的定制用户的上采样或者下采样的需求。

4. 参考资料

[1] 一边Upsample一边Convolve：Efficient Sub-pixel-convolutional-layers详解
[2] 双线性插值(Bilinear Interpolation)
[3] torch.nn.functional.interpolate说明
[4] PyTorch 0.4.1——Vision layers