3. 

        2. 快速入門使用tikz繪制深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)圖
        共
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        2020-09-16 14:03
        
                    

                    

                    
                    
                    


        【GiantPandaCV導(dǎo)語】本文主要介紹最最最基礎(chǔ)的tikz命令和一些繪制CNN時需要的基礎(chǔ)的LaTeX知識，希望能在盡可能短的時間內(nèi)學(xué)會并實(shí)現(xiàn)使用tikz這個LaTeX工具包來繪制卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。
        https://github.com/HarisIqbal88/PlotNeuralNet
        之前看到tikz可以畫出這種圖，感覺特別專業(yè)，所以萌發(fā)出了解一下tikz的想法。
         1. overleaf平臺 
        在電腦上安裝過LaTeX都知道，LaTeX安裝包巨大，并且安裝速度緩慢，下載和安裝的時間需要幾乎一下午才能完成。慶幸的是有一個平臺可以在線編譯文檔，那就是overleaf，如今overleaf也推出了中文版本網(wǎng)站：https://cn.overleaf.com/ 以下代碼全部是在overleaf平臺上編寫運(yùn)行得到的。
        主頁面
        進(jìn)入其中一個項目
        最左側(cè)是項目文件列表，中間是代碼編輯區(qū)，右側(cè)是可視化區(qū)，十分方便，只要網(wǎng)絡(luò)通常，就可以方便地得到結(jié)果。并且這個平臺提供了好多模板，可以直接使用，太太太太太棒啦。
         2. 快速入門tikz 
        快速熟悉還是要推薦《minimaltikz》這本電子書，可以直接訪問http://cremeronline.com/LaTeX/minimaltikz.pdf獲取或者在后臺回復(fù)latex獲取。
        電子書封面
        這本書一共24頁，算是盡量壓縮了內(nèi)容了，在這一節(jié)中將分析一下其中給的幾個例子，用于快速入門：
        所有tikz繪制圖像的代碼都應(yīng)該在tikzpicture這個環(huán)境中使用。
        \begin{tikzpicture}
        ...
        \end{tikzpicture}
        直角坐標(biāo)系下：($$)的形式代表二維坐標(biāo)系中的一個點(diǎn)，單位是cm。
        極坐標(biāo)系下：(:$\theta$代表極角，單位是度。
        \coordinate可以對某個點(diǎn)進(jìn)行重命名如：
        \coordinate (s) at (0,1);
        2.1 直線
        那最基礎(chǔ)的畫幾條線的實(shí)現(xiàn)是通過\draw完成：
            \begin{tikzpicture}
            \draw[help lines] (0,0) grid(3,3);
            \coordinate (a) at (0,1);
            \coordinate (b) at (3,3);
            \coordinate (c) at (2,0);
            \draw (a) -- (b) -- (c) --cycle;
            \end{tikzpicture}
        --符號代表兩點(diǎn)之間的連線，可以連續(xù)鏈接多段。cycle代表讓路徑回到起點(diǎn)，生成閉合路徑。
        結(jié)果展示
        \draw還可以添加選項，比如讓線變粗、變紅、箭頭等需求，都很簡單。
        \begin{tikzpicture}[scale=1]
        \draw[help lines] (0,0) grid(5,5);
        \draw (0,0) -- (1,2)--(3,0) --(5,5);
        \draw [->] (0,0) -- (2,1);
        \draw [<-] (2,3) -- (5,0);
        \draw [|->] (0.5,3) -- (0,4);
        \draw [<->] (0,6) -- (0,0) -- (6,0);
        \end{tikzpicture}
        不同的箭頭
        \begin{tikzpicture}
        \draw[help lines] (0,0) grid(5,5);
        \draw[thick] (0.5, 0.5) -- (3,3);
        % [ultra thick, thick, thin, very thick]
        \draw[line width=0.2cm] (1,0) -- (3,2);
        \end{tikzpicture}
        粗細(xì)控制
        \begin{tikzpicture}
        \draw[help lines] (0,0) grid(5,5);
        \draw[ultra thick, dotted] (0,0) -- (2,3);
        \draw[line width=0.2cm, dotted,red] (2,2) -- (4,0);
        %[red, blue, green, cyan, magenta, yellow, black, gray, darkgray, lightgray, browbn, lime, olive, orange, pink, purple, teal, violet, white]
        \end{tikzpicture}
        顏色控制
        2.2 曲線
        畫一些曲線就需要使用circle、rectangle、arc等進(jìn)行約束。
        \begin{tikzpicture}
        \draw[help lines] (0,0) grid(5,5);
        \draw[blue] (1,1) rectangle(3,3); % 正方形 需要左下角坐標(biāo)和右上角坐標(biāo)
        \draw[red] (2,2) circle[radius=2]; %圓形 需要圓心坐標(biāo)和半徑
        \draw[green] (1,0) arc [radius=1,start angle=180,end angle=360];
        \draw[<->, rounded corners, thick, purple] (0,5) -- (0,0) -- (5,0);
        \end{tikzpicture}
        結(jié)果展示
        \begin{tikzpicture}
        \draw[help?lines]?(0,0)?grid(6,3);
        \draw[blue,?thick]?(0,0)?to[out=90,in=180]?(1,1)?to[in=270,out=360]?(2,2)
        to[in=180,out=90]?(3,3)?to[in=90,out=360]?(4,2)?to[in=180,out=270]?(5,1)?
        to[in=90,?out=0]?(6,0);
        \end{tikzpicture}
        這是練習(xí)畫弧線的時候想練習(xí)的一個例子，結(jié)果如下
        結(jié)果展示
        in代表進(jìn)入的角度，out代表出來時候的角度，為了方便，筆者畫了一個輔助圖，對照代碼方便理解。
        參考
        2.3 畫函數(shù)曲線
        \begin{tikzpicture}[xscale=6,yscale=6]
        \draw[<->] (0,0.8) -- (0,0) -- (0.8,0);
        \draw[green,thick,domain=0:0.5]
        plot(\x, {0.025+\x*\x});
        \draw[red, thick, domain=0:0.5]
        plot(\x, {sqrt(\x)});
        \draw[blue, thick, domain=0:0.5]
        plot(\x, {abs(\x)});
        \end{tikzpicture}
        domain限制變量范圍，然后可以畫圖，結(jié)果如下：
        繪制函數(shù)曲線
        2.4 填充
        \begin{tikzpicture}
        \draw[fill=red,ultra thick] (0,0) rectangle(1,1);
        \draw[fill=red,ultra thin, red] (2,0) rectangle(3,1);
        \draw[fill] (5,0) circle[radius=1];
        \draw [fill=orange] (9,0) rectangle (11,1);
        \draw [fill=white] (9.25,0.25) rectangle (10,1.5);
        \path [fill=gray] (0,-2) rectangle (1.5,-3);
        \draw [fill=yellow] (2,-2) rectangle (3.5,-3);
        \end{tikzpicture}
        通過fill參數(shù)控制結(jié)果，效果如下：
        填充結(jié)果
        2.6 添加文字
        使用\node
        \node?[]?()?at?()?{};
        舉個例子：
        \begin{tikzpicture}[scale=2]
        \draw [thick, <->] (0,1) -- (0,0) -- (1,0);
        \draw[fill] (1,1) circle [radius=0.025];
        \node [below right, red] at (.5,.75) {below right};
        \node [above left, green] at (.5,.75) {above left};
        \node [below left, purple] at (.5,.75) {below left};
        \node [above right, magenta] at (.5,.75) {above right};
        \end{tikzpicture}
        添加文字效果
        其實(shí)CNN畫圖主要用的是畫一條線的功能，下面來看如何畫CNN。
         3. 繪制一個CNN模塊 
        對于一個初學(xué)者來說，https://github.com/HarisIqbal88/PlotNeuralNet 這個庫雖然畫的很好，但是難度曲線太高了，退而求其次，使用https://github.com/pprp/SimpleCVReproduction/tree/master/tikz_cnn 進(jìn)行解析。
        首先介紹一個LaTeX中用于封裝的命令，\newcommand，當(dāng)我們不希望寫很長的命令，那就需要類似函數(shù)的一個方式，封裝好固定的操作，根據(jù)傳入?yún)?shù)完成執(zhí)行。
        \newcommand<命令>[<參數(shù)個數(shù)>][<首參數(shù)默認(rèn)值>]{<具體的定義>}
        舉一個例子：
        \newcommand\loves[2]{#1 喜歡 #2}
        \loves{我}{你}
        輸出結(jié)果就是：我喜歡你
        \newcommand{\networkLayer}[9]{
        	% Define the macro.
        	% 1st argument: Height and width of the layer rectangle slice.
        	% 2nd argument: Depth of the layer slice
        	% 3rd argument: X Offset --> use it to offset layers from previously drawn layers.
        	% 4th argument: Y Offset --> Use it when an output needs to be fed to multiple layers that are on the same X offset.
        	% 5th argument: Z Offset --> Use to offset layers from previous
        	% 6th argument: Options for filldraw.
        	% 7th argument: Text to be placed below this layer.
        	% 8th argument: Name of coordinates. When name = "start" this resets the offset counter
        	% 9th argument: list of nodes to connect to (previous layers)
        	% 全局變量
        	\xdef\totalOffset{\totalOffset}
         	\ifthenelse{\equal{#8} {start}}
         	{\FPset{totalOffset}{0}}
         	{}
         	\FPeval\currentOffset{0+(totalOffset)+(#3)}

        	\def\hw{#1} % Used to distinguish input resolution for current layer.
        	\def\b{0.02}
        	\def\c{#2} % Width of the cube to distinguish number of input channels for current layer.
        	\def\x{\currentOffset} % X offset for current layer.
        	\def\y{#4} % Y offset for current layer.
        	\def\z{#5} % Z offset for current layer.
        	\def\inText{#7}

            % Define references to points on the cube surfaces
            \coordinate (#8_front) at  (\x+\c  , \z      , \y);
            \coordinate (#8_back) at   (\x     , \z      , \y);
            \coordinate (#8_top) at    (\x+\c/2, \z+\hw/2, \y);
            \coordinate (#8_bottom) at (\x+\c/2, \z-\hw/2, \y);
            
         	% Define cube coords
        	\coordinate (blr) at (\c+\x,  -\hw/2+\z,  -\hw/2+\y); %back lower right
        	\coordinate (bur) at (\c+\x,   \hw/2+\z,  -\hw/2+\y); %back upper right
        	\coordinate (bul) at (0 +\x,   \hw/2+\z,  -\hw/2+\y); %back upper left
        	\coordinate (fll) at (0 +\x,  -\hw/2+\z,   \hw/2+\y); %front lower left
        	\coordinate (flr) at (\c+\x,  -\hw/2+\z,   \hw/2+\y); %front lower right
        	\coordinate (fur) at (\c+\x,   \hw/2+\z,   \hw/2+\y); %front upper right
        	\coordinate (ful) at (0 +\x,   \hw/2+\z,   \hw/2+\y); %front upper left
        	

            % Draw connections from other points to the back of this node
            \ifthenelse{\equal{#9} {}}
         	{} % 為空什么都不做
         	{ % 非空 開始畫層與層之間的連線
         	    \foreach \val in #9
         	    % \val = start_front
         	        \draw[line width=0.3mm] (\val)--(#8_back);
         	}
         	
        	% Draw the layer body.
        	% back plane
        	\draw[line width=0.3mm](blr) -- (bur) -- (bul);
        	% front plane
        	\draw[line width=0.3mm](fll) -- (flr) node[midway,below] {\inText} -- (fur) -- (ful) -- (fll);
        	\draw[line width=0.3mm](blr) -- (flr);
        	\draw[line width=0.3mm](bur) -- (fur);
        	\draw[line width=0.3mm](bul) -- (ful);

        	% Recolor visible surfaces
        	% front plane
        	\filldraw[#6] ($(fll)+(\b,\b,0)$) -- ($(flr)+(-\b,\b,0)$) -- ($(fur)+(-\b,-\b,0)$) -- ($(ful)+(\b,-\b,0)$) -- ($(fll)+(\b,\b,0)$);
        	\filldraw[#6] ($(ful)+(\b,0,-\b)$) -- ($(fur)+(-\b,0,-\b)$) -- ($(bur)+(-\b,0,\b)$) -- ($(bul)+(\b,0,\b)$);

        	% Colored slice.
        	\ifthenelse {\equal{#6} {}}
        	{} % Do not draw colored slice if #6 is blank.
        	% Else, draw a colored slice.
        	{\filldraw[#6] ($(flr)+(0,\b,-\b)$) -- ($(blr)+(0,\b,\b)$) -- ($(bur)+(0,-\b,\b)$) -- ($(fur)+(0,-\b,-\b)$);}

        	\FPeval\totalOffset{0+(currentOffset)+\c}

        	\draw[ultra thick, red] (#8_back) circle[radius=0.02];
        	\node[left] at (#8_back) {back};
        	
        	\draw[ultra thick, red] (#8_top) circle[radius=0.02];
        	\node[above] at (#8_top) {top};
        	
        	\draw[ultra thick, red] (#8_bottom) circle[radius=0.02];
        	\node[below] at (#8_bottom) {bottom};
        	
        	\draw[ultra thick, red] (#8_front) circle[radius=0.02];
        	\node[left] at (#8_front) {front};
        }
        假設(shè)以下命令調(diào)用，結(jié)果會是什么？
        \begin{tikzpicture}[scale=2]
        \draw[help lines] (0,0) grid(2,2);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (0,0,2);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (0,2,0);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (2,0,0);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (2,2,0);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (1,2,0);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (0,2,2);
        \draw[->,thick] (0,0,0) -- (2,0,2);
        \draw[dotted,thick] (0,0,2) -- (0,2,2);
        \draw[dotted,thick] (0,2,0) -- (0,2,2);
        \draw[dotted,thick] (0,0,2) -- (2,0,2);
        \draw[dotted,thick] (2,0,0) -- (2,0,2);
        \draw[dotted,thick] (1,0,0) -- (1,0,2);
        \draw[dotted,thick] (0,0,1) -- (2,0,1);
        \draw[<->, thick] (0,2) -- (0,0) -- (2,0);
        			%HW -D -  x- y- z - fill color -  text - 坐標(biāo) - 鏈接
        \networkLayer{1}{0.5}{0}{0}{0}{color=green!20}{conv1}{}{}
        \end{tikzpicture}
        顯示結(jié)果如下：
        可視化一個模塊
        卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的示意圖實(shí)際上是一個個立方體構(gòu)成的，立方體之間可能會有額外連線，代表特征融合；還可能需要題注，為這個特征圖立方體進(jìn)行命名；必須要有立方體的位置信息，長寬高；還需要顏色填充的功能；
        綜合以上需求，這個函數(shù)提供了9個參數(shù)分別是：
        • #1 H&W 控制立方體右側(cè)這一面的高度，默認(rèn)為正方形。
        • #2 Depth 控制深度
        • #3 X 方向上的偏置
        • #4 Y方向上的偏置
        • #5 Z方向上的偏置
        • #6 填充的顏色
        • #7 Text展示的文本，放在最下側(cè)
        • #8 坐標(biāo)名稱，通過命名便于#9訪問
        • #9 通過名稱指定連接位置，用于連接前方層的時候使用
        前兩個參數(shù)示意圖
        由于每繪制一個立方體，右側(cè)立方體的X偏置就應(yīng)該加上左側(cè)立方體的Depth值，這部分代碼這樣處理的。
        \FPset{totalOffset}{0} % 設(shè)置全局變量totaloffset	
        \xdef\totalOffset{\totalOffset}
        \ifthenelse{\equal{#8} {start}}
        % 如果#8坐標(biāo)名稱為start，那么將totaloffset歸零
        {\FPset{totalOffset}{0}}
        {}% 否則什么都不做
        \FPeval\currentOffset{0+(totalOffset)+(#3)}
        % 計算當(dāng)前offset也就是#3 X+totalOffset
        賦值過程：
        \def\hw{#1} % Used to distinguish input resolution for current layer.
        \def\b{0.02}
        \def\c{#2} % Width of the cube to distinguish number of input channels for current layer.
        \def\x{\currentOffset} % X offset for current layer.
        \def\y{#4} % Y offset for current layer.
        \def\z{#5} % Z offset for current layer.
        \def\inText{#7}
        計算立方體表面坐標(biāo)(將點(diǎn)可視化是額外添加的，為了便于理解)
        % Define references to points on the cube surfaces
        \coordinate (#8_front) at  (\x+\c  , \z      , \y);
        \coordinate (#8_back) at   (\x     , \z      , \y);
        \coordinate (#8_top) at    (\x+\c/2, \z+\hw/2, \y);
        \coordinate (#8_bottom) at (\x+\c/2, \z-\hw/2, \y);
        計算7個頂點(diǎn)位置，被擋住的也可以計算，但是因?yàn)檫@里不打算繪制所以不計算。
        7個頂點(diǎn)示意圖
        %?Define?cube?coords
        \coordinate?(blr)?at?(\c+\x,??-\hw/2+\z,??-\hw/2+\y);?%back?lower?right
        \coordinate?(bur)?at?(\c+\x,???\hw/2+\z,??-\hw/2+\y);?%back?upper?right
        \coordinate?(bul)?at?(0?+\x,???\hw/2+\z,??-\hw/2+\y);?%back?upper?left
        \coordinate?(fll)?at?(0?+\x,??-\hw/2+\z,???\hw/2+\y);?%front?lower?left
        \coordinate?(flr)?at?(\c+\x,??-\hw/2+\z,???\hw/2+\y);?%front?lower?right
        \coordinate?(fur)?at?(\c+\x,???\hw/2+\z,???\hw/2+\y);?%front?upper?right
        \coordinate?(ful)?at?(0?+\x,???\hw/2+\z,???\hw/2+\y);?%front?upper?left
        繪制立方塊之間的連線：
        % Draw connections from other points to the back of this node
        \ifthenelse{\equal{#9} {}}
        {} % 為空什么都不做
        { % 非空 開始畫層與層之間的連線
        \foreach \val in #9
        % \val = start_front
        \draw[line width=0.3mm] (\val)--(#8_back);
        }
        繪制立方體主體部分，也就是將7個點(diǎn)連接起來。
        % back plane
        \draw[line width=0.3mm](blr) -- (bur) -- (bul);
        % front plane
        \draw[line width=0.3mm](fll) -- (flr) node[midway,below] {\inText} -- (fur) -- (ful) -- (fll);
        \draw[line width=0.3mm](blr) -- (flr);
        \draw[line width=0.3mm](bur) -- (fur);
        \draw[line width=0.3mm](bul) -- (ful);
        填充顏色：
        % front plane
        \filldraw[#6] ($(fll)+(\b,\b,0)$) -- ($(flr)+(-\b,\b,0)$) -- ($(fur)+(-\b,-\b,0)$) -- ($(ful)+(\b,-\b,0)$) -- ($(fll)+(\b,\b,0)$);
        \filldraw[#6] ($(ful)+(\b,0,-\b)$) -- ($(fur)+(-\b,0,-\b)$) -- ($(bur)+(-\b,0,\b)$) -- ($(bul)+(\b,0,\b)$);

        % Colored slice.
        \ifthenelse {\equal{#6} {}}
        {} % Do not draw colored slice if #6 is blank.
        % Else, draw a colored slice.
        {\filldraw[#6] ($(flr)+(0,\b,-\b)$) -- ($(blr)+(0,\b,\b)$) -- ($(bur)+(0,-\b,\b)$) -- ($(fur)+(0,-\b,-\b)$);}
        一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
        上邊的圖是通過以下代碼生成的：
        \begin{tikzpicture}

        % INPUT
        \networkLayer{3.0}{0.03}{0.0}{0.0}{0.0}{color=gray!80}{}{start}{}

        % ENCODER
        \networkLayer{3.0}{0.1}{0.5}{0.0}{0.0}{color=white}{conv}{}{}    % S1
        \networkLayer{3.0}{0.1}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}        % S2
        \networkLayer{2.5}{0.2}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{conv}{}{}    % S1
        \networkLayer{2.5}{0.2}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}        % S2
        \networkLayer{2.0}{0.4}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{conv}{}{}    % S1
        \networkLayer{2.0}{0.4}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}        % S2
        \networkLayer{1.5}{0.8}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{conv}{}{}    % S1
        \networkLayer{1.5}{0.8}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}        % S2
        \networkLayer{1.0}{1.5}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{conv}{}{}    % S1
        \networkLayer{1.0}{1.5}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{mid}{}        % S2

        \networkLayer{1.0}{0.5}{1.5}{0.0}{-1.5}{color=green!50}{}{bot}{{mid_front}}
        \networkLayer{1.0}{0.5}{-0.5}{0.0}{1.5}{color=green!50}{}{top}{{mid_front}}
        \networkLayer{1.0}{0.5}{1.5}{0.0}{0.0}{color=blue!50}{sum}{}{{bot_front,top_front}}

        % DECODER
        \networkLayer{1.0}{1.5}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{deconv}{}{} % S1
        \networkLayer{1.0}{1.5}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S2
        \networkLayer{1.5}{0.8}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{deconv}{}{} % S1
        \networkLayer{1.5}{0.8}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S2
        \networkLayer{2.0}{0.4}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S1
        \networkLayer{2.0}{0.4}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S2
        \networkLayer{2.5}{0.2}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S1
        \networkLayer{2.5}{0.2}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S2
        \networkLayer{3.0}{0.1}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S1
        \networkLayer{3.0}{0.1}{0.1}{0.0}{0.0}{color=white}{}{}{}       % S2

        % OUTPUT
        \networkLayer{3.0}{0.05}{0.9}{0.0}{0.0}{color=red!40}{}{}{}     % Pixelwise segmentation with classes.

        \end{tikzpicture}
        需要注意的是#8和#9命令，mid_front代表的是鏈接#8=mid的front部分，front也可以被top、back、bottom取代。
         4. 資源推薦 
        https://cn.overleaf.com/project/5e8c38c31cccb20001a4998d
        https://cn.overleaf.com/project/5f50b21ae802b6000155ec4f
        https://github.com/HarisIqbal88/PlotNeuralNet
        https://github.com/pprp/SimpleCVReproduction/tree/master/tikz_cnn
        - END -

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