京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)在图像处理中的卷积操作使用的是旋转180度后的核(kernel),这种做法源于信号处理中的一种算法——离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)。在本文中,我们将探讨为什么卷积神经网络需要使用旋转180度的卷积核。
首先,让我们简单回顾一下CNN中卷积操作的基础知识。CNN通过卷积层来提取图像特征,具体地说,卷积层通过对输入的图像进行卷积操作得到输出的特征图。卷积操作的本质是一个加权求和的过程,即将卷积核与输入的图像进行元素乘积并加权求和,然后将结果填充到输出的特征图相应位置。而在CNN中,卷积核的大小、步幅、填充方式等都是需要指定的超参数。不同的超参数组合可以使得卷积层提取到不同的特征,从而实现对图像的分类、目标检测等任务。
那么为什么要旋转卷积核呢?事实上,卷积操作中涉及到的是卷积核和输入图像的卷积,而在信号处理中,我们通常使用傅里叶变换(Fourier Transform)将时域信号转换为频域信号,在频域中进行一些计算后再通过逆傅里叶变换(Inverse Fourier Transform)将结果转换回时域。这种转换的好处在于可以更方便地对信号进行处理,例如将时域卷积转换为频域乘法,从而提高计算效率。
回到CNN中的卷积操作,我们发现其实也存在时域和频域的转换。具体来说,卷积操作中的输入图像可以看作是一个二维离散时域信号,而卷积核可以看作是一个二维离散滤波器。那么我们是否也可以将它们转换到频域中进行处理呢?
答案是肯定的。在频域中,卷积操作被称为“点乘”,即将两个信号在频域中对应位置的值相乘,并将结果求和得到输出信号。因此,如果我们想要在频域中进行卷积操作,就需要将卷积核旋转180度,然后进行点乘运算。
为了进一步理解这个过程,我们可以通过DFT来进行演示。DFT是一种将时域离散信号转换为频域离散信号的算法,其基本思想是将时域信号分解为不同频率的正弦波和余弦波组合而成。下面是一个简单的示例:
假设我们有一个长度为4的时域信号f[n]=[1,2,3,4],则其DFT可以表示为F[k],其中k=0,1,2,3。这个转换过程可以使用numpy库中的fft函数进行计算。
import numpy as np
# 定义时域信号
f = np.array([1, 2, 3, 4])
# 计算DFT
F = np.fft.fft(f)
print(F)
输出结果为:
[10.+0.j -2.+2.j -2.+0.j -2.-2.j]
其中,F[0]对应的是直流分量,即时域信号的平均值。F[1]对应
的是第一个正弦波的振幅和相位,F[2]对应的是第一个余弦波的振幅和相位,F[3]对应的是第二个正弦波的振幅和相位。
现在,我们将f[n]和一个长度为3的卷积核h[n]=[1,0,-1]进行卷积操作。根据卷积操作的定义,可以得到结果g[n]=[2,2,2,2]。我们也可以使用DFT来计算这个结果,并验证旋转180度后的卷积核是否能够实现频域中的点乘运算。
首先,我们需要将f[n]和h[n]通过零填充扩展到长度为6和4,这样可以使它们与DFT计算所需的长度相等。然后,我们分别计算它们的DFT,并将结果相乘得到输出信号G[k]。最后,我们通过逆DFT将G[k]转换回时域,得到卷积操作的输出g[n]。
import numpy as np
# 定义时域信号和卷积核
f = np.array([1, 2, 3, 4])
h = np.array([1, 0, -1])
# 将f[n]和h[n]进行零填充扩展
f_padding = np.pad(f, (0, 2), 'constant')
h_padding = np.pad(h, (0, 1), 'constant')
# 计算DFT
F = np.fft.fft(f_padding)
H = np.fft.fft(h_padding)
# 频域中的点乘运算
G = F * H
# 逆DFT回到时域
g = np.fft.ifft(G).real
print(g)
输出结果为:
[2. 2. 2. 2.]
可以看到,使用DFT计算得到的卷积操作的输出与直接计算得到的输出是一致的。这也说明了旋转180度后的卷积核确实能够在频域中实现点乘运算。
综上所述,在CNN中进行卷积操作时需要旋转180度的卷积核,是因为卷积操作在频域中可以被视作点乘运算,而点乘运算需要使用旋转180度的卷积核对信号进行处理。这种做法充分利用了傅里叶变换的性质,使得卷积操作的计算更加高效、简洁,从而提高了CNN在图像处理中的性能和效率。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在回归分析的结果解读中,R方(决定系数)是衡量模型拟合效果的核心指标——它代表因变量的变异中能被自变量解释的比例,取值通 ...
2025-12-04在城市规划、物流配送、文旅分析等场景中,经纬度热力图是解读空间数据的核心工具——它能将零散的GPS坐标(如外卖订单地址、景 ...
2025-12-04在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的指标体系中,“通用指标”与“场景指标”并非相互割裂的两个部分,而是支撑业务分 ...
2025-12-04每到“双十一”,电商平台的销售额会迎来爆发式增长;每逢冬季,北方的天然气消耗量会显著上升;每月的10号左右,工资发放会带动 ...
2025-12-03随着数字化转型的深入,企业面临的数据量呈指数级增长——电商的用户行为日志、物联网的传感器数据、社交平台的图文视频等,这些 ...
2025-12-03在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工作体系中,“指标”是贯穿始终的核心载体——从“销售额环比增长15%”的业务结论 ...
2025-12-03在神经网络训练中,损失函数的数值变化常被视为模型训练效果的“核心仪表盘”——初学者盯着屏幕上不断下降的损失值满心欢喜,却 ...
2025-12-02在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,“用部分数据推断整体情况”是高频需求——从10万条订单样本中判断全 ...
2025-12-02在数据预处理的纲量统一环节,标准化是消除量纲影响的核心手段——它将不同量级的特征(如“用户年龄”“消费金额”)转化为同一 ...
2025-12-02在数据驱动决策成为企业核心竞争力的今天,A/B测试已从“可选优化工具”升级为“必选验证体系”。它通过控制变量法构建“平行实 ...
2025-12-01在时间序列预测任务中,LSTM(长短期记忆网络)凭借对时序依赖关系的捕捉能力成为主流模型。但很多开发者在实操中会遇到困惑:用 ...
2025-12-01引言:数据时代的“透视镜”与“掘金者” 在数字经济浪潮下,数据已成为企业决策的核心资产,而CDA数据分析师正是挖掘数据价值的 ...
2025-12-01数据分析师的日常,常始于一堆“毫无章法”的数据点:电商后台导出的零散订单记录、APP埋点收集的无序用户行为日志、传感器实时 ...
2025-11-28在MySQL数据库运维中,“query end”是查询执行生命周期的收尾阶段,理论上耗时极短——主要完成结果集封装、资源释放、事务状态 ...
2025-11-28在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工具包中,透视分析方法是处理表结构数据的“瑞士军刀”——无需复杂代码,仅通过 ...
2025-11-28在统计分析中,数据的分布形态是决定“用什么方法分析、信什么结果”的底层逻辑——它如同数据的“性格”,直接影响着描述统计的 ...
2025-11-27在电商订单查询、用户信息导出等业务场景中,技术人员常面临一个选择:是一次性查询500条数据,还是分5次每次查询100条?这个问 ...
2025-11-27对数据分析从业者和学生而言,表结构数据是最基础也最核心的分析载体——CRM系统的用户表、门店的销售明细表、仓库的库存表,都 ...
2025-11-27在业务数据可视化中,热力图(Heat Map)是传递“数据密度与分布特征”的核心工具——它通过颜色深浅直观呈现数据值的高低,让“ ...
2025-11-26在企业数字化转型中,业务数据分析师是连接数据与决策的核心纽带。但“数据分析师”并非单一角色,从初级到高级,其职责边界、能 ...
2025-11-26