如果你聽過深度學習中不同的卷積型別，包括：
2D/3D/1*1/Ttransposed/Dilated/Spatially
Separable/Depthwise Separable/Flattened/Grouped/Shuffled Grouped Convolution
這些，但是並不清楚它們實際意味著什麼，本文就是帶大家學習這些卷積到底是如何工作的。
在本文中，我儘量使用簡單明瞭的方式向大家解釋深度學習中常用的幾種卷積，希望能夠幫助你建立學習體系，併為你的研究提供參考。
Convolution VS Cross-correlation
卷積是一項在訊號處理、視覺處理或者其他工程/科學領域中應用廣泛的技術。在深度學習中，有一種模型架構，叫做Convolution Neural Network。深度學習中的卷積本質上就是訊號處理中的Cross-correlation。當然，兩者之間也存在細微的差別。
在訊號/影象處理中，卷積定義如下：
由上公式可以看出，卷積是通過兩個函式f和g生成第三個函式的一種數學運算元。對f與經過翻轉和平移的g乘積進行積分。過程如下：
訊號處理中的卷積。濾波器g首先翻轉，然後沿著橫座標移動。計算兩者相交的面積，就是卷積值。
另一方面，Cross-correlation被稱為滑動點積或者兩個函式的滑動內積。Cross-correlation中的濾波器函式是不用翻轉的。它直接劃過特徵函式f。f和g相交的區域就是Cross-correlation。
在深度學習中，卷積中的濾波器不翻轉。嚴格來說，它是Cross-correlation。我們基本上執行元素對元素的加法或者乘法。但是，在深度學習中，我們還是習慣叫做Convolution。濾波器的權重是在訓練期間學習的。
Convolution in Deep Learning
卷積的目的是為了從輸入中提取有用的特徵。在影象處理中，有很多濾波器可以供我們選擇。每一種濾波器幫助我們提取不同的特徵。比如水平/垂直/對角線邊緣等等。在CNN中，通過卷積提取不同的特徵，濾波器的權重在訓練期間自動學習。然後將所有提取到的特徵“組合”以作出決定。
卷積的優勢在於，權重共享和平移不變性。同時還考慮到了畫素空間的關係，而這一點很有用，特別是在計算機視覺任務中，因為這些任務通常涉及識別具有空間關係的物件。（例如：狗的身體通常連線頭部、四肢和尾部）。
The single channel version
The muti-channel version
在很多應用中，我們需要處理多通道圖片。最典型的例子就是RGB影象。
在描述這個過程之前，我們先介紹一些術語：layers（層）、channels（通道）、feature maps（特徵圖），filters（濾波器），kernels（卷積核）。從層次結構的角度來看，層和濾波器的概念處於同一水平，而通道和卷積核在下一級結構中。通道和特徵圖是同一個事情。一層可以有多個通道（或者說特徵圖）。如果輸入的是一個RGB影象，那麼就會有3個通道。“channel”通常被用來描述“layer”的結構。相似的，“kernel”是被用來描述“filter”的結構。
講了概念，下面我們繼續講解多通道卷積。將每個核心應用到前一層的輸入通道上以生成一個輸出通道。這是一個卷積核過程，我們為所有Kernel重複這樣的過程以生成多個通道。然後把這些通道加在一起形成單個輸出通道。下圖：
輸入是一個5x5x3的矩陣，有三個通道。filter是一個3x3x3的矩陣。首先，filter中的每個卷積核分別應用於輸入層中的三個通道。執行三次卷積，產生3個3x3的通道。
然後，這三個通道相加（矩陣加法），得到一個3x3x1的單通道。這個通道就是在輸入層（5x5x3矩陣）應用filter（3x3x3矩陣）的結果。
同樣的，我們可以把這個過程看作是一個3Dfilter矩陣滑過輸入層。值得注意的是，輸入層和filter有相同的深度（通道數量=卷積核數量）。3Dfilter只需要在2維方向上移動，影象的高和寬。這也是為什麼這種操作被稱為2D卷積，儘管是使用的3D濾波器來處理3D資料。在每一個滑動位置，我們執行卷積，得到一個數字。就像下面的例子中體現的，滑動水平的5個位置和垂直的5個位置進行。總之，我們得到了一個單一通道輸出。
現在，我們一起來看看，如何在不同深度的層之間轉換。假設輸入層有xin個通道，我們想得到輸出有Dout個通道。我們只需要將Dout filters應用到輸入層。每一個 filter有Din個卷積核。每個filter提供一個輸出通道。完成該過程，將結果堆疊在一起形成輸出層。
在上一節的最後一個插圖中，可以看出，這實際上是在完成3D卷積。但是在深度學習中，我們仍然把上述操作稱為2D卷積。3D資料，2D卷積。濾波器的深度和輸入層的深度是一樣的。3D濾波器只在兩個方向上移動（影象的高和寬），而輸出也是一個2D的影象（僅有一個通道）。
3D卷積是存在的，它們是2D卷積的推廣。在3D卷積中，濾波器的深度小於輸入層的深度（也可以說卷積核尺寸小於通道尺寸）。所以，3D濾波器需要在資料的三個維度上移動（影象的長、寬、高）。在濾波器移動的每個位置，執行一次卷積，得到一個數字。當濾波器滑過整個3D空間，輸出的結果也是一個3D的。
和2D卷積能夠編碼2D域中的物件關係一樣，3D卷積也可以描述3D空間中的物件關係。3D關係在一些應用中是很重要的，比如3D分割/醫學影象重構等。
1x1 Convolution
下面我們來看一種有趣的操作，1x1卷積。
我們會有疑問，這種卷積操作真的有用嗎？看起來只是一個數字乘以輸入層的每個數字？正確，也不正確。如果輸入資料只有一個通道，那這種操作就是將每個元素乘上一個數字。
但是，如果輸入資料是多通道的。那麼下面的圖可以說明，1 x 1卷積是如何工作的。輸入的資料是尺寸是H x W x D，濾波器尺寸是1 x 1x D，輸出通道尺寸是H x W x 1。如果我們執行N次1x1卷積，並將結果連線在一起，那可以得到一個H x W x N的輸出。
1 x 1卷積在論文《Network In Network》中提出來。並且在Google發表的《Going Deeper with Convolution》中也有用到。1 x 1卷積的優勢如下：
降低維度以實現高效計算
高效的低維嵌入，或特徵池
卷積後再次應用非線性
前兩個優勢可以從上圖中看出。完成1 x 1卷積操作後，顯著的降低了depth-wise的維度。如果原始輸入有200個通道，那麼1 x 1卷積操作將這些通道嵌入到單一通道。第三個優勢是指，在1 x 1卷積後，可以新增諸如ReLU等非線性啟用。非線性允許網路學習更加複雜的函式。
Convolution Arithmetic
現在我們知道了depth維度的卷積。我們繼續學習另外兩個方向（height&width），同樣重要的卷積演算法。一些術語：
Kernel size（卷積核尺寸）：卷積核在上面的部分已有提到，卷積核大小定義了卷積的檢視。
Stride（步長）：定義了卷積核在影象中移動的每一步的大小。比如Stride=1，那麼卷積核就是按一個畫素大小移動。Stride=2，那麼卷積核在影象中就是按2個畫素移動（即，會跳過一個畫素）。我們可以用stride>=2，來對影象進行下采樣。
Padding：可以將Padding理解為在影象外圍補充一些畫素點。padding可以保持空間輸出維度等於輸入影象，必要的話，可以在輸入外圍填充0。另一方面，unpadded卷積只對輸入影象的畫素執行卷積，沒有填充0。輸出的尺寸將小於輸入。
下圖是2D卷積，Kernel size=3，Stride=1，Padding=1：
這裡有一篇寫得很好的文章，推薦給大家。它講述了更多的細節和舉了很多例子來講述不同的Kernel size、stride和padding的組合。這裡我只是總結一般案例的結果。
輸入影象大小是i，kernel size=k，padding=p，stride=s，那麼卷積後的輸出o計算如下：