Pytorch之nn.Upsample()和nn.ConvTranspose2d()用法详解

nn.Upsample

原理

nn.Upsample 是一个在PyTorch中进行上采样（增加数据维度）的层，其通过指定的方法（如nearest邻近插值或linear、bilinear、trilinear线性插值等）来增大tensor的尺寸。

这个层可以在二维或三维数据上按照给定的尺寸或者放大比例来调整输入数据的维度。

用法

import torch.nn as nn

# 创建一个上采样层，通过比例放大
upsample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')

# 创建一个上采样层，通过目标尺寸放大
upsample = nn.Upsample(size=(height, width), mode='bilinear', align_corners=True)

# 使用上采样层
output = upsample(input)

nn.ConvTranspose2d

原理

nn.ConvTranspose2d 是一个二维转置卷积（有时也称为反卷积）层，它是标准卷积的逆操作。

转置卷积通常用于生成型模型（如生成对抗网络GANs），或者在卷积神经网络中进行上采样操作（与nn.Upsample相似，但是通过可学习的卷积核进行）。

转置卷积层有权重和偏置，其可以在训练过程中学习，以便更好地进行上采样。

用法

import torch.nn as nn

# 创建一个转置卷积层
conv_transpose = nn.ConvTranspose2d(in_channels=128, out_channels=64, kernel_size=3, stride=2, padding=1, output_padding=1)

# 使用转置卷积层
output = conv_transpose(input)

比较

• nn.Upsample 使用插值方式进行上采样，没有可学习的参数。
• nn.ConvTranspose2d 通过转置卷积操作上采样，并且有可学习的参数，这可以在一定程度上给予模型更多的灵活性和表现力。

在一些场景下，nn.ConvTranspose2d 可能导致所谓的**“棋盘效应”（checkerboard artifacts），这是由于某些上采样步骤的重叠造成的**。相比之下，nn.Upsample 通常不会引入这样的效应，因为它的插值方法是固定的。

根据具体的应用场景和需求，选择最合适的上采样层是很重要的。

• 如果你只是想简单地增大特征图的尺寸，并且不需要额外的模型可学习能力，那么 nn.Upsample 是一个更快速和简洁的选择。
• 如果你需要模型在上采样过程中有更多的控制能力，那么 nn.ConvTranspose2d 是更好的选择。

性能对比

在性能对比方面，nn.Upsample() 和 **nn.ConvTranspose2d()**具有各自的特点和最佳应用场景，两者在速度、内存占用和输出质量方面有所不同。

计算资源（速度与内存）

• nn.Upsample()：通常，上采样层相对来说计算代价更小，尤其是当使用像"nearest"这类简单的插值方法时。上采样层没有可训练的参数，因此内存占用也比较低。如果选择更复杂的插值方法，比如"bilinear"或"bicubic"，计算代价会增加，但通常仍然低于转置卷积。
• nn.ConvTranspose2d()：转置卷积层包含可训练的参数，因此计算代价和内存占用通常大于上采样。每次在传递数据时，都会执行卷积运算，这比上采样的插值更加计算密集。

输出质量

• nn.Upsample()：由于它主要是基于某种插值方法来放大特征图，所以可以快速地执行操作，但无法保证放大后的图像质量，尤其是在某些应用中，可能会出现明显的、不连续的模式。
• nn.ConvTranspose2d()：提供了一种可学习的方式来增加特征图的尺寸。训练过程中，网络可以学习如何更有效地上采样，这可能会提供更自然和连贯的输出图像。这在任务如图像重建或生成时尤其有用。

训练时间

• nn.Upsample()：因为没有额外的参数需要训练，使用上采样的网络通常训练更快。
• nn.ConvTranspose2d()：训练时间可能会更长，因为存在额外的权重需要优化。

应用场景

• nn.Upsample()：更适合于当需要快速且简单地放大特征图，并且没有必要在上采样过程中进行复杂学习时。
• nn.ConvTranspose2d()：更适合那些需要网络在上采样过程中进行学习，如自动编码器的解码器部分、生成对抗网络的生成器部分，以及在某些分割任务中常见的全卷积网络。

最后，你应选择基于你的具体需求，例如输出质量、推理时间、模型的复杂度和可训练性等因素进行选择。

实际上，在一些现代的模型架构中，开发者可能会混合使用上采样和转置卷积层，以在保证输出质量的同时优化模型性能。

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。