CS131 homework1 使用numpy實現卷積
預備
import numpy as np
def zero_pad(image, pad_height , pad_width):
H,W = image.shape
out = None
###
out = np.zeros((H+2*pad_height, W+2*pad_width))
for i in range(H):
for j in range(W):
out[i+pad_height,j+pad_width] = image[i,j]
### end
return out
conv_nested
使用最基礎的四重巢狀for迴圈進行計算,分別遍歷圖片和卷積核
def conv_nested(image, kernel):
Hi, Wi = image.shape
Hk, Wk = kernel.shape
out = np.zeros((Hi, Wi))
### YOUR CODE HERE
for m in range(Hi):
for n in range(Wi):
for i in range(Hk):
for j in range(Wk):
if(m - i + Hk//2 >= 0 and n - j + Wk//2 >= 0) and (m - i + Hk//2 < Hi and n - j + Wk//2 <Wi):
out[m,n] += kernel[i,j] * image[m - i + Hk//2, n - j + Wk//2]
### END YOUR CODE
return out
conv_fast
題目給了提示使用np.flip()
和np.sum()
函式簡化計算,將四重for迴圈減少為兩重,同時也不需要去計算卷積核和圖片在計算時對應的位置
def conv_fast(image, kernel):
Hi, Wi = image.shape
Hk, Wk = kernel.shape
out = np.zeros((Hi, Wi))
#print(Hi,Wi,Hk,Wk)
### YOUR CODE HERE
pad_img = zero_pad(image,Hk//2,Wk//2)
#print(pad_img.shape)
kernel_fliped = np.flip(np.flip(kernel,0),1)
for m in range(Hi):
for n in range(Wi):
out[m,n] = np.sum(pad_img[m: m+Hk, n : n+Wk] * kernel_fliped)
### END YOUR CODE
return out
conv_faster
將pad過後的影像矩陣每次要和卷積核進行元素相乘的部分單獨抽出來作為新矩陣的一行的資料,依次填充得到一個新的矩陣大小為
(
H
i
∗
W
i
,
H
k
∗
W
k
)
(H_i*W_i,H_k*W_k)
(Hi∗Wi,Hk∗Wk),然後將卷積核也reshape
為
(
H
k
∗
W
k
,
1
)
(H_k*W_k,1)
(Hk∗Wk,1),使用矩陣相乘可以大大縮短計算時間。GPU對矩陣計算進行了優化。
def conv_faster(image, kernel):
Hi, Wi = image.shape
Hk, Wk = kernel.shape
out = np.zeros((Hi, Wi))
### YOUR CODE HERE
pad_image = zero_pad(image, Hk//2, Wk//2)
kernel_filp = np.flip(np.flip(kernel, 0), 1)
mat = np.zeros((Hi*Wi, Hk*Wk))
for i in range(Hi*Wi):
row = i // Wi
col = i % Wi
# 將需要計算的卷積核大小的資料填充到第i行
mat[i, :] = pad_image[row: row+Hk, col: col+Wk].reshape(1, Hk*Wk)
out = mat.dot(kernel_flip.reshape(Hk*Wk, 1)).reshape(Hi, Wi)
### END YOUR CODE
return out
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