torch|全局池化层详解

全局池化

卷积神经网络可以解决回归跟分类问题，但是常见的卷积神经网络到最后都要通过全连接层实现分类，这个其实会导致很多时候神经元数目跟计算量在全连接层暴增，特别对一些回归要求比较高的网络往往会带来一些后遗症。所以陆陆续续有人提出了不同全连接层解决方案，最常见的两个就是把最后卷积层flatten改为全局最大/均值池化，对比一下这两种方式，图示如下：

可以看到全局池化会根据需要产生神经元，神经元个数可控，可调。而flatten方式就是一个硬链接，无法在flatten的时候调整链接数目。全局均值池化输出最常见的做法是把每个通道feature map输出一个神经元(均值结果输出)，图示如下：

全局最大池化图示如下，它是取每个feature map的最大值：

全局均值池化跟全局最大池化的输入一般为NxCxHxW，输出为NxCx1x1但是实际上有时候我们还会有另外一个需求，就是全局深度池化，它的输出是Nx1xHxW。这个方式的池化通常会先把数据转换为NxH*WxC的方式，然后使用一维度最大/均值池化在C上完成，最后在转换为Nx1xHxW即可。了解常见几种全局池化方式之后，下面就来一起看看Pytorch中支持的相关函数。

Pytorch全局池化函数与代码演示

Pytorch函数支持全局最大池化与均值池化，相关函数分别为：

全局最大池化

torch.nn.AdaptiveMaxPool2d(output_size, return_indices=False)

全局均值池化

torch.nn.AdaptiveAvgPool2d(output_size)

其中output_size表示输出HxW正常设为HxW=1x1=(1, 1)。代码演示如下：

# 全局均值池化 avg_pooling = torch.nn.AdaptiveAvgPool2d((1,1)) B, C, H, W = input.size() output = avg_pooling(input).view(B, -1) print("全局均值池化:", output.size()) print(output, "\n")
 # 全局最大池化 avg_pooling = torch.nn.AdaptiveMaxPool2d((1, 1)) B, C, H, W = input.size() output = avg_pooling(input).view(B, -1) print("全局最大池化:", output.size()) print(output, "\n")

输入为NxCxHxW=1x8x4x4输出结果如下：

但是pytorch中没有全局深度池化函数支持，这个是我在写一个程序时候才发现，后来经过一番折腾，在别人代码的基础上我改写了一个符合我要求的全局深度池化函数。经过测试工作良好。演示如下：

class DeepWise_Pool(torch.nn.MaxPool1d):     def __init__(self, channels, isize):         super(DeepWise_Pool, self).__init__(channels)         self.kernel_size = channels         self.stride = isize
     def forward(self, input):         n, c, w, h = input.size()         input = input.view(n,c,w*h).permute(0,2,1)         pooled =  torch.nn.functional.max_pool1d(input, self.kernel_size, self.stride,                         self.padding, self.dilation, self.ceil_mode,                         self.return_indices)         _, _, c = pooled.size()         pooled = pooled.permute(0,2,1)         return pooled.view(n,c,w,h).view(w, h)

 input = torch.randn(1, 8, 4, 4) print("input data:/n", input) print("input data:", input.size()) B, C, W, H = input.size() dw_max_pool = DeepWise_Pool(C, W*H) output = dw_max_pool(input) print("全局深度池化:", output.view(-1, 16).size()) print(output, "\n")

针对输入为NxCxHxW=1x8x4x4深度最大池化运行结果如下：

全局池化优点

关于使用GAP或者全局池化的好处，卷积神经网络在图像分类中，把卷积层作为特征提取，全链接层+softmax作为归回分类，这样方式会导致在全连接层输入神经元太多容易导致过拟合，所以Hinton等人提出了Dropout概念，提高网络泛化能力防止了过拟合发生。但是GAP是另外方式避免全连接层的处理，直接通过全局池化+softmax进行分类，它的优点是更加符合卷积层最后的处理，另外一个优点是GAP不会产生额外的参数，相比全连接层的处理方式，降低整个计算量，此外全局池化还部分保留来输入图像的空间结构信息，所以全局池化在有些时候会是一个特别有用的选择。更多请读该论文：

https://arxiv.org/pdf/1312.4400.pdf

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