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【学习笔记】深入浅出详解Pytorch中的View, reshape, unfold，flatten等方法。

article 2024/12/21 18:48:31

文章目录

一、写在前面
二、Reshape
- （一）用法
- （二）代码展示
三、Unfold
- （一）torch.unfold 的基本概念
- （二）torch.unfold 的工作原理
- （三）示例代码
- （四）torch.unfold 的应用场景
- （五）注意事项
- （六）总结
四、View
- （一）用法
- （二）注意事项
- （三）其他方法
五、Flatten
- （一）torch.flatten 的基本概念
- （二）torch.flatten 的工作原理
- （三）示例代码
六、Permute
- （一）torch.permute 的基本概念
- （二）torch.permute 的工作原理
- （三）示例代码
- （四） torch.permute 的应用场景
七、总结

一、写在前面

最近在解析transformer源码的时候突然看到了unfold？我在想unfold是什么意思？为什么不用reshape，他们的底层逻辑有什么区别呢？于是便相对比一下他们之间的区别，便有了本篇博客，希望对大家有帮助！

二、Reshape

（一）用法

1. torch.reshape(input, shape)
输入是tensor和shape，其中原始shape和目标shape的元素数量要一致。

2. Tensor.reshape(shape) → Tensor
与上述用法一致，只不过这个是直接在tensor的基础上进行reshape。

reshpe是按照顺序进行重新排列组合的。
[16,2] 其实与 [4,2,2,2] 是一样的，只要最后一维的数字是一样，其实结果都是一样的。

（二）代码展示

三、Unfold

（一）torch.unfold 的基本概念

torch.unfold 的作用是将输入张量的某个维度展开为多个滑动窗口。每个窗口包含一个局部区域，这些区域可以用于后续的计算。

语法：

torch.Tensor.unfold(dimension, size, step)

参数：
- dimension：要展开的维度（整数）。
- size：滑动窗口的大小（整数）。
- step：滑动窗口的步长（整数）。
- 返回值：返回一个新的张量，其中指定维度的每个元素被展开为多个滑动窗口。

（二）torch.unfold 的工作原理

假设我们有一个形状为 (N, C, H, W) 的张量（例如图像数据），我们希望在高度维度（H）上提取滑动窗口。

输入张量：(N, C, H, W)
展开维度：dimension=2（即高度维度 H）
窗口大小：size=k（例如 k=3）
步长：step=s（例如 s=1）

torch.unfold 会将高度维度 H 展开为多个大小为 k 的滑动窗口，每个窗口之间间隔 s。

（三）示例代码

示例 1：一维张量的展开

import torch
# 创建一个一维张量
x = torch.arange(10)
print("原始张量:", x)

# 使用 unfold 展开
unfolded = x.unfold(dimension=0, size=3, step=1)
print("展开后的张量:\n", unfolded)

输出：

原始张量: tensor([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
展开后的张量:
 tensor([[0, 1, 2],
         [1, 2, 3],
         [2, 3, 4],
         [3, 4, 5],
         [4, 5, 6],
         [5, 6, 7],
         [6, 7, 8],
         [7, 8, 9]])

示例 2：二维张量的展开（图像处理）

import torch
# 创建一个二维张量（模拟图像）
    x = torch.arange(16).reshape(1, 1, 4, 4)  # 形状为 (1, 1, 4, 4)
    print("原始张量:\n", x)
    # 使用 unfold 展开
    unfolded_1 = x.unfold(dimension=2, size=3, step=1)
    unfolded_2 = unfolded_1.unfold(dimension=3, size=3, step=1)
    print("展开后的张量形状:", unfolded_1.shape)
    print("展开后的张量:\n", unfolded_1)

    print("展开后的张量形状:", unfolded_2.shape)
    print("展开后的张量:\n", unfolded_2)

输出：

原始张量:
 tensor([[[[ 0,  1,  2,  3],
          [ 4,  5,  6,  7],
          [ 8,  9, 10, 11],
          [12, 13, 14, 15]]]])
展开后的张量形状: torch.Size([1, 1, 2, 4, 3])
展开后的张量:
 tensor([[[[[ 0,  4,  8],
           [ 1,  5,  9],
           [ 2,  6, 10],
           [ 3,  7, 11]],

          [[ 4,  8, 12],
           [ 5,  9, 13],
           [ 6, 10, 14],
           [ 7, 11, 15]]]]])
展开后的张量形状: torch.Size([1, 1, 2, 2, 3, 3])
展开后的张量:
 tensor([[[[[[ 0,  1,  2],
            [ 4,  5,  6],
            [ 8,  9, 10]],

           [[ 1,  2,  3],
            [ 5,  6,  7],
            [ 9, 10, 11]]],


          [[[ 4,  5,  6],
            [ 8,  9, 10],
            [12, 13, 14]],

           [[ 5,  6,  7],
            [ 9, 10, 11],
            [13, 14, 15]]]]]])

数组的运算主要看最后两维，倒数第二维代表行，倒数第一维代表列。

（四）torch.unfold 的应用场景

卷积操作

在卷积神经网络（CNN）中，卷积核通过滑动窗口的方式提取图像的局部特征。torch.unfold 可以用于手动实现卷积操作。

图像处理

在图像处理中，torch.unfold 可以用于提取图像的局部区域（例如提取图像的滑动窗口）。

时间序列分析

在时间序列分析中，torch.unfold 可以用于提取时间序列的滑动窗口，用于特征提取或模型训练。

（五）注意事项

维度选择：需要明确指定要展开的维度（dimension）。
窗口大小和步长：窗口大小（size）和步长（step）的选择会影响展开后的张量形状。
内存消耗：torch.unfold 可能会生成较大的张量，尤其是在高维数据上使用时，需要注意内存消耗。

（六）总结

torch.unfold 的作用：从张量的某个维度提取滑动窗口。
常用参数：dimension（展开维度）、size（窗口大小）、step（步长）。
应用场景：卷积操作、图像处理、时间序列分析等。
注意事项：选择合适的维度、窗口大小和步长，避免内存消耗过大。

四、View

torch.view 用于返回一个与原始张量共享相同数据存储的新张量，但具有不同的形状。换句话说，view 只是改变了张量的视图（view），而不会复制数据。

（一）用法

Tensor.view(*shape)：
- 参数：
*shape：新的形状（可以是整数或元组）。
- 返回值：
返回一个新的张量，具有指定的形状，并与原始张量共享相同的数据存储。

（二）注意事项

view 返回的张量与原始张量共享相同的数据存储。
如果原始张量的数据发生变化，view 返回的张量也会随之变化。
view 要求张量的内存必须是连续的（即张量在内存中是连续存储的）。如果内存不连续，view 会抛出错误。

（三）其他方法

view_as

作用：将当前张量转换为与另一个张量相同的形状。
语法：

torch.Tensor.view_as(other)

参数：

other：目标张量，当前张量的形状将被转换为与 other 相同的形状。

返回值：

返回一个新的张量，具有与 other 相同的形状，并与原始张量共享数据存储。

示例：

import torch
# 创建一个张量
x = torch.arange(12)
print("原始张量:", x)
# 创建目标张量
other = torch.empty(3, 4)
# 使用 view_as 改变形状
y = x.view_as(other)
print("改变形状后的张量:\n", y)

输出：

原始张量: tensor([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11])
改变形状后的张量:
 tensor([[ 0,  1,  2,  3],
         [ 4,  5,  6,  7],
         [ 8,  9, 10, 11]])

view_as_real

作用：将复数张量转换为实数张量。
语法：

torch.Tensor.view_as_real()

返回值：

返回一个新的实数张量，形状为 (…, 2)，其中最后一个维度包含复数的实部和虚部。

示例：

import torch
# 创建一个复数张量
x = torch.tensor([1 + 2j, 3 + 4j])
print("原始张量:", x)
# 使用 view_as_real 转换为实数张量
y = x.view_as_real()
print("转换后的张量:\n", y)

输出：

原始张量: tensor([1.+2.j, 3.+4.j])
转换后的张量:
 tensor([[1., 2.],
         [3., 4.]])

view_as_complex

作用：将实数张量转换为复数张量。
语法：

torch.Tensor.view_as_complex()

返回值：

返回一个新的复数张量，形状为 (…,)，其中最后一个维度被解释为复数的实部和虚部。

示例：

import torch
# 创建一个实数张量
x = torch.tensor([[1., 2.], [3., 4.]])
print("原始张量:\n", x)
# 使用 view_as_complex 转换为复数张量
y = x.view_as_complex()
print("转换后的张量:", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[1., 2.],
         [3., 4.]])
转换后的张量: tensor([1.+2.j, 3.+4.j])

view_as_strided

作用：返回一个具有指定步长和内存布局的张量视图。
语法：

torch.Tensor.view_as_strided(size, stride)

参数：

size：新的形状（元组）。
stride：新的步长（元组）。

返回值：

返回一个新的张量，具有指定的形状和步长，并与原始张量共享数据存储。

示例：

import torch
# 创建一个张量
x = torch.arange(9).view(3, 3)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 view_as_strided 改变形状和步长
y = x.view_as_strided((2, 2), (1, 2))
print("改变形状和步长后的张量:\n", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[0, 1, 2],
         [3, 4, 5],
         [6, 7, 8]])
改变形状和步长后的张量:
 tensor([[0, 2],
         [1, 3]])

view_as_real 和 view_as_complex 的应用场景

复数计算：

在涉及复数计算的任务中，view_as_real 和 view_as_complex 可以用于在复数和实数之间进行转换。

信号处理：

在信号处理中，复数张量常用于表示频域信号，view_as_real 和 view_as_complex 可以用于频域和时域之间的转换。

view_as_strided 的应用场景

自定义内存布局：

在需要自定义内存布局的场景中，view_as_strided 可以用于创建具有特定步长和形状的张量视图。

高效内存访问：

在需要高效访问内存的场景中，view_as_strided 可以用于优化内存访问模式。

五、Flatten

（一）torch.flatten 的基本概念

torch.flatten 的作用是将输入张量的指定维度展平为一维。它可以展平整个张量，也可以只展平部分维度。

语法：

torch.flatten(input, start_dim=0, end_dim=-1)

参数：
- input：输入张量。
- start_dim：开始展平的维度（整数），默认为 0。
- end_dim：结束展平的维度（整数），默认为 -1。
- 返回值：返回一个新的张量，具有展平后的形状。

（二）torch.flatten 的工作原理

torch.flatten 会将指定范围内的维度展平为一维。
如果 start_dim=0 且 end_dim=-1，则整个张量会被展平为一维。
如果只展平部分维度，则其他维度保持不变。

（三）示例代码

示例 1：展平整个张量

import torch
# 创建一个二维张量
x = torch.arange(12).view(3, 4)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 flatten 展平整个张量
y = torch.flatten(x)
print("展平后的张量:", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[ 0,  1,  2,  3],
         [ 4,  5,  6,  7],
         [ 8,  9, 10, 11]])
展平后的张量: tensor([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11])

示例 2：展平部分维度

import torch
# 创建一个三维张量
x = torch.arange(24).view(2, 3, 4)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 flatten 展平第二个维度到第三个维度
y = torch.flatten(x, start_dim=1, end_dim=2)
print("展平后的张量:\n", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[[ 0,  1,  2,  3],
          [ 4,  5,  6,  7],
          [ 8,  9, 10, 11]],

         [[12, 13, 14, 15],
          [16, 17, 18, 19],
          [20, 21, 22, 23]]])
展平后的张量:
 tensor([[ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11],
         [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]])

示例 3：展平特定维度

import torch
# 创建一个四维张量
x = torch.arange(24).view(2, 2, 3, 2)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 flatten 展平第三个维度
y = torch.flatten(x, start_dim=2, end_dim=2)
print("展平后的张量:\n", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[[[ 0,  1],
           [ 2,  3],
           [ 4,  5]],

          [[ 6,  7],
           [ 8,  9],
           [10, 11]]],


         [[[12, 13],
           [14, 15],
           [16, 17]],

          [[18, 19],
           [20, 21],
           [22, 23]]]])
展平后的张量:
 tensor([[[ 0,  1,  2,  3,  4,  5],
          [ 6,  7,  8,  9, 10, 11]],

         [[12, 13, 14, 15, 16, 17],
          [18, 19, 20, 21, 22, 23]]])

六、Permute

（一）torch.permute 的基本概念

torch.permute 的作用是将输入张量的维度按照指定的顺序重新排列。它类似于 NumPy 中的 transpose，但更加灵活，可以同时对多个维度进行排列。

语法：

torch.Tensor.permute(*dims)

参数：
- *dims：新的维度顺序（元组或多个整数）。
- 返回值：返回一个新的张量，具有重新排列后的维度顺序，并与原始张量共享数据存储。

（二）torch.permute 的工作原理

torch.permute 会将输入张量的维度按照指定的顺序重新排列。
新的维度顺序必须与原始张量的维度数量相同，并且每个维度索引只能出现一次。

（三）示例代码

示例 1：二维张量的转置

import torch
# 创建一个二维张量
x = torch.arange(12).view(3, 4)
print("原始张量:\n", x)

# 使用 permute 转置
y = x.permute(1, 0)  # 将维度 0 和 1 交换
print("转置后的张量:\n", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[ 0,  1,  2,  3],
         [ 4,  5,  6,  7],
         [ 8,  9, 10, 11]])
转置后的张量:
 tensor([[ 0,  4,  8],
         [ 1,  5,  9],
         [ 2,  6, 10],
         [ 3,  7, 11]])

示例 2：三维张量的维度重排

import torch
# 创建一个三维张量
x = torch.arange(24).view(2, 3, 4)
print("原始张量:\n", x)

# 使用 permute 重排维度
y = x.permute(2, 0, 1)  # 将维度 0, 1, 2 重排为 2, 0, 1
print("重排后的张量形状:", y.shape)
print("重排后的张量:\n", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[[ 0,  1,  2,  3],
          [ 4,  5,  6,  7],
          [ 8,  9, 10, 11]],

         [[12, 13, 14, 15],
          [16, 17, 18, 19],
          [20, 21, 22, 23]]])
重排后的张量形状: torch.Size([4, 2, 3])
重排后的张量:
 tensor([[[ 0,  4,  8],
          [12, 16, 20]],

         [[ 1,  5,  9],
          [13, 17, 21]],

         [[ 2,  6, 10],
          [14, 18, 22]],

         [[ 3,  7, 11],
          [15, 19, 23]]])

示例 3：四维张量的维度重排

import torch
# 创建一个四维张量
x = torch.arange(24).view(2, 2, 3, 2)
print("原始张量:\n", x)

# 使用 permute 重排维度
y = x.permute(3, 1, 2, 0)  # 将维度 0, 1, 2, 3 重排为 3, 1, 2, 0
print("重排后的张量形状:", y.shape)
print("重排后的张量:\n", y)

输出：

原始张量:
 tensor([[[[ 0,  1],
           [ 2,  3],
           [ 4,  5]],

          [[ 6,  7],
           [ 8,  9],
           [10, 11]]],


         [[[12, 13],
           [14, 15],
           [16, 17]],

          [[18, 19],
           [20, 21],
           [22, 23]]]])
重排后的张量形状: torch.Size([2, 2, 3, 2])
重排后的张量:
 tensor([[[[ 0, 12],
           [ 2, 14],
           [ 4, 16]],

          [[ 6, 18],
           [ 8, 20],
           [10, 22]]],


         [[[ 1, 13],
           [ 3, 15],
           [ 5, 17]],

          [[ 7, 19],
           [ 9, 21],
           [11, 23]]]])

（四） torch.permute 的应用场景

图像处理

在图像处理中，torch.permute 可以用于调整图像的通道顺序。例如，将 (C, H, W) 的图像张量转换为 (H, W, C)。

深度学习模型输入

在深度学习中，模型的输入张量通常需要特定的维度顺序。torch.permute 可以用于调整输入张量的维度顺序。

数据预处理

在数据预处理中，torch.permute 可以用于调整数据的维度顺序，以便进行后续的计算或操作。

如果每一维度都有特定的含义，此时想改变维度的时候用permute。

七、总结

reshape 与 view 几乎一致，甚至可以说reshape可以代替view；
reshape 与 permute 的区别在于，reshape是按照顺序重新进行排列组合，permute是按照维度进行重新排列组合，如果各个维度都有特定的意义，那么permute会更合适。
unfold是按照某一维度滑动选取数据，新增加一维，新增加的维度的大小为滑动窗口的大小，原始维度会根据滑动窗口和step的大小而变化。
flatten也是按照顺序进行展开，且展开的是某个范围的维度，不是特定的维度。
不管是几维数组，主要看最后两维，倒数第二维代表行，倒数第一维代表列。

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