解题思路

多通道卷积是卷积神经网络（CNN）中的核心运算。其本质是：在每个滑动位置，将输入在所有通道上的同形窗口与对应通道的卷积核做元素乘加（逐通道累加），得到一个标量作为该位置的输出值。

1. 填充（padding） 按题意在输入张量四周补零，得到形状为 $(C,\, H_{in}+2p,\, W_{in}+2p)$ 的新张量（$p=padding$）。

2. 滑动窗口（stride） 以步长 $s$（$s=stride$）在高、宽方向移动卷积核窗口。仅当窗口完全落在填充后的输入内时才计算。输出尺寸为

   $$H_{out}=\left\lfloor\frac{H_{in}+2p-K_h}{s}\right\rfloor+1,\quad W_{out}=\left\lfloor\frac{W_{in}+2p-K_w}{s}\right\rfloor+1 $$

3. 逐通道累加（核心计算） 在位置 $(i,j)$ 处的输出值：

   $$\text{out}(i,j)=\sum_{c=0}^{C-1}\sum_{m=0}^{K_h-1}\sum_{n=0}^{K_w-1} X_c(i\cdot s+m,\ j\cdot s+n)\cdot K_c(m,n) $$

   其中 $X$ 为填充后的输入，$K$ 为卷积核。中间计算用整数即可（题面输出也为整数）。

4. 实现方法

   • 读入参数与数据，构造三维输入与核。
   • 先做零填充，得到新三维数组。
   • 依据上式三重（或四重）循环完成滑动与乘加。
   • 输出 $H_{out}\times W_{out}$ 的二维矩阵。

本题无需使用快速傅里叶等高级算法，直接按定义实现即可，参数规模很小（$C\le 6, H_{in},W_{in}<10$）。

复杂度分析

• 时间复杂度： 对每个输出位置做 $C\times K_h\times K_w$ 次乘加，输出一共 $H_{out}\times W_{out}$ 个位置，

  $$O\big(H_{out}\cdot W_{out}\cdot C\cdot K_h\cdot K_w\big) $$

  在题目约束下规模很小，完全可行。

• 空间复杂度： 需要存储填充后的输入 $O(C\cdot (H_{in}+2p)\cdot (W_{in}+2p))$，卷积核 $O(C\cdot K_h\cdot K_w)$，以及输出 $O(H_{out}\cdot W_{out})$。总体为

  $$O\big(C(H_{in}+2p)(W_{in}+2p)+C K_h K_w+H_{out}W_{out}\big) $$

  同样很小，合理。

代码实现

Python

import sys

# 多通道卷积：输入input_tensor和kernel均为三维列表
def conv_multi_channel(input_tensor, kernel, stride, padding):
    C = len(input_tensor)
    Hin = len(input_tensor[0])
    Win = len(input_tensor[0][0])

    Kh = len(kernel[0])
    Kw = len(kernel[0][0])

    # 计算输出尺寸
    Hout = (Hin + 2 * padding - Kh) // stride + 1
    Wout = (Win + 2 * padding - Kw) // stride + 1

    # 1) 先做零填充
    Hp = Hin + 2 * padding
    Wp = Win + 2 * padding
    padded = [[[0 for _ in range(Wp)] for _ in range(Hp)] for _ in range(C)]
    for c in range(C):
        for i in range(Hin):
            for j in range(Win):
                padded[c][i + padding][j + padding] = input_tensor[c][i][j]

    # 2) 按定义滑动窗口并逐通道累加
    output = [[0 for _ in range(Wout)] for _ in range(Hout)]
    for i in range(Hout):
        for j in range(Wout):
            s = 0
            base_i = i * stride
            base_j = j * stride
            for c in range(C):
                for m in range(Kh):
                    for n in range(Kw):
                        s += padded[c][base_i + m][base_j + n] * kernel[c][m][n]
            output[i][j] = s
    return output

def main():
    data = []
    for line in sys.stdin:
        line = line.strip()
        if line:
            data.extend(map(int, line.split()))
    ptr = 0

    # 读输入张量
    C, Hin, Win = data[ptr], data[ptr+1], data[ptr+2]; ptr += 3
    input_tensor = []
    for _ in range(C):
        ch = []
        for _ in range(Hin):
            row = data[ptr:ptr+Win]; ptr += Win
            ch.append(row)
        input_tensor.append(ch)

    # 读卷积核
    Ck, Kh, Kw = data[ptr], data[ptr+1], data[ptr+2]; ptr += 3
    # 题目保证 Ck == C
    kernel = []
    for _ in range(Ck):
        ch = []
        for _ in range(Kh):
            row = data[ptr:ptr+Kw]; ptr += Kw
            ch.append(row)
        kernel.append(ch)

    # 读 stride 和 padding
    stride, padding = data[ptr], data[ptr+1]

    # 计算卷积
    out = conv_multi_channel(input_tensor, kernel, stride, padding)

    # 输出
    for i in range(len(out)):
        print(" ".join(str(x) for x in out[i]))

if __name__ == "__main__":
    main()

Java

import java.util.*;

public class Main {

    // 多通道卷积：inputTensor、kernel均为三维数组 [C][H][W]
    static int[][] convMultiChannel(int[][][] inputTensor, int[][][] kernel, int stride, int padding) {
        int C = inputTensor.length;
        int Hin = inputTensor[0].length;
        int Win = inputTensor[0][0].length;

        int Kh = kernel[0].length;
        int Kw = kernel[0][0].length;

        int Hout = (Hin + 2 * padding - Kh) / stride + 1;
        int Wout = (Win + 2 * padding - Kw) / stride + 1;

        // 1) 零填充
        int Hp = Hin + 2 * padding, Wp = Win + 2 * padding;
        int[][][] padded = new int[C][Hp][Wp];
        for (int c = 0; c < C; c++) {
            for (int i = 0; i < Hin; i++) {
                for (int j = 0; j < Win; j++) {
                    padded[c][i + padding][j + padding] = inputTensor[c][i][j];
                }
            }
        }

        // 2) 滑动窗口并逐通道累加
        int[][] output = new int[Hout][Wout];
        for (int i = 0; i < Hout; i++) {
            for (int j = 0; j < Wout; j++) {
                int sum = 0;
                int baseI = i * stride;
                int baseJ = j * stride;
                for (int c = 0; c < C; c++) {
                    for (int m = 0; m < Kh; m++) {
                        for (int n = 0; n < Kw; n++) {
                            sum += padded[c][baseI + m][baseJ + n] * kernel[c][m][n];
                        }
                    }
                }
                output[i][j] = sum;
            }
        }
        return output;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);

        // 读入输入张量
        int C = sc.nextInt(), Hin = sc.nextInt(), Win = sc.nextInt();
        int[][][] inputTensor = new int[C][Hin][Win];
        for (int c = 0; c < C; c++) {
            for (int i = 0; i < Hin; i++) {
                for (int j = 0; j < Win; j++) {
                    inputTensor[c][i][j] = sc.nextInt();
                }
            }
        }

        // 读入卷积核
        int Ck = sc.nextInt(), Kh = sc.nextInt(), Kw = sc.nextInt();
        int[][][] kernel = new int[Ck][Kh][Kw];
        for (int c = 0; c < Ck; c++) {
            for (int i = 0; i < Kh; i++) {
                for (int j = 0; j < Kw; j++) {
                    kernel[c][i][j] = sc.nextInt();
                }
            }
        }

        // stride 和 padding
        int stride = sc.nextInt(), padding = sc.nextInt();

        int[][] out = convMultiChannel(inputTensor, kernel, stride, padding);

        // 输出
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < out.length; i++) {
            for (int j = 0; j < out[0].length; j++) {
                if (j > 0) sb.append(' ');
                sb.append(out[i][j]);
            }
            sb.append('\n');
        }
        System.out.print(sb.toString());
        sc.close();
    }
}

C++

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

// 多通道卷积：输入和核均为三维 vector [C][H][W]
vector<vector<int>> conv_multi_channel(const vector<vector<vector<int>>>& input_tensor,
                                       const vector<vector<vector<int>>>& kernel,
                                       int stride, int padding) {
    int C = (int)input_tensor.size();
    int Hin = (int)input_tensor[0].size();
    int Win = (int)input_tensor[0][0].size();

    int Kh = (int)kernel[0].size();
    int Kw = (int)kernel[0][0].size();

    int Hout = (Hin + 2 * padding - Kh) / stride + 1;
    int Wout = (Win + 2 * padding - Kw) / stride + 1;

    // 1) 零填充
    int Hp = Hin + 2 * padding, Wp = Win + 2 * padding;
    vector<vector<vector<int>>> padded(C, vector<vector<int>>(Hp, vector<int>(Wp, 0)));
    for (int c = 0; c < C; ++c) {
        for (int i = 0; i < Hin; ++i) {
            for (int j = 0; j < Win; ++j) {
                padded[c][i + padding][j + padding] = input_tensor[c][i][j];
            }
        }
    }

    // 2) 滑动窗口并逐通道累加
    vector<vector<int>> output(Hout, vector<int>(Wout, 0));
    for (int i = 0; i < Hout; ++i) {
        for (int j = 0; j < Wout; ++j) {
            int sum = 0;
            int base_i = i * stride;
            int base_j = j * stride;
            for (int c = 0; c < C; ++c) {
                for (int m = 0; m < Kh; ++m) {
                    for (int n = 0; n < Kw; ++n) {
                        sum += padded[c][base_i + m][base_j + n] * kernel[c][m][n];
                    }
                }
            }
            output[i][j] = sum;
        }
    }
    return output;
}

int main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(nullptr);

    // 读入输入张量
    int C, Hin, Win;
    if (!(cin >> C >> Hin >> Win)) return 0;
    vector<vector<vector<int>>> input_tensor(C, vector<vector<int>>(Hin, vector<int>(Win)));
    for (int c = 0; c < C; ++c) {
        for (int i = 0; i < Hin; ++i) {
            for (int j = 0; j < Win; ++j) {
                cin >> input_tensor[c][i][j];
            }
        }
    }

    // 读入卷积核
    int Ck, Kh, Kw;
    cin >> Ck >> Kh >> Kw;
    vector<vector<vector<int>>> kernel(Ck, vector<vector<int>>(Kh, vector<int>(Kw)));
    for (int c = 0; c < Ck; ++c) {
        for (int i = 0; i < Kh; ++i) {
            for (int j = 0; j < Kw; ++j) {
                cin >> kernel[c][i][j];
            }
        }
    }

    int stride, padding;
    cin >> stride >> padding;

    // 计算卷积
    auto out = conv_multi_channel(input_tensor, kernel, stride, padding);

    // 输出
    for (int i = 0; i < (int)out.size(); ++i) {
        for (int j = 0; j < (int)out[0].size(); ++j) {
            if (j) cout << ' ';
            cout << out[i][j];
        }
        cout << '\n';
    }
    return 0;
}

题目内容

卷积神经网络常用于图像分类、检测与分割等图像任务。多通道卷积的计算公式是卷积神经网络 $(CNN)$ 中的核心运算，请用代码实现多通道卷积操作。

输入: $input$: 形状为 $(C,H\_in,W\_in)$ 的输入张量，$C$ 为输入通道数，$H\_in$ 为输入高度，$W\_in$ 为输入宽度

$kernel$: 形状为 $(C,K\_h,K\_w)$ 的卷积核，$C$ 为输入通道数(和 $input$ 的 $C$ 数值相同)，$K\_h$ 为输入高度，$K\_w$ 为输入宽度

$stride$:卷积步长(大于等于 $1$ 的整数)

其中

$0<C<6$

$2<H\_in<10$

$2 <W\_in < 10$

$0<K\_h<7$

$0<K\_w<7$

$0 < stride < 4$

$0 =< padding = < 3$

卷积操作过程说明:

1.填充:在输入张量的上下左右各填充 “$0$” ，填充后的形状为 $(C,H\_in+2padding,W\_in+2padding)$。

2 滑动窗口计算:从填充后的输入张量的左上角开始，按照 $stride$ 步长滑动卷积核，每次取与卷积核形状相同的子区域。若剩余区域尺寸小于卷积核尺寸，则跳过该位置。

3,逐通道计算:对于每个子区域，将卷积核与对应位置的输入值逐通道相乘后求和(中间计算过程不做四舍五入)，得到输出张量的一个值，计算公式为:$\operatorname{output}(i, j)=\sum_{c=0}^{C-1} \sum_{m=0}^{K_{b}-1} \sum_{n=0}^{K_{n}-1} \text { input }_{c}(i \times \text { stride }+m, j \times \text { stride }+n) \times \operatorname{kernel}_{c}(m, n)$

4.输出结果:将所有子区域的计算结果组合成 $(H\_out,W\_out)$ 的输出张量。

输出:

形状为 $(H\_out, W\_out)$ 的 $2D$ 数组，其中:

$H\_out=(H\_in + 2 * padding -k) // stride + 1$

$W\_out= (W\_in + 2 * padding - K) // stride +1$

注: $//$ 代表除法后向下取整

上图为单通道卷积 $padding$ 为 $1$，$stride$ 为 $1$ 时示意图，多通道卷积时还需对各通道进行求和，题中不再绘制示意图

输入描述

第一行 $C,H\_in, W\_in$ 表示输入的张量的通道数、行数与列数;

接下来的 $C × H\_in$ 行是此张量的元素值;

接下来一行 $C,K\_h,K\_w$ 是卷积核的通道数、行数与列数;

接下来 $C×H\_in$是卷积核的元素值;

最后一行是 $stride$ $padding$

输出描述

输出卷积后形状为 $(H\_out,W\_out)$ 的特征图(二维矩阵)，元素均为整数。

样例1

输入

2 3 3
1 2 3
4 5 6
7 8 9
2 3 4
5 6 7
8 9 10
2 2 2
1 0
0 1
2 0
0 2
1 0

输出

22 28
40 46

说明

第一行 $2$ $3$ $3$ 表示输入的张量为 $2$ 通道，每个通道的行数和列数均为 $3$

第 $2-4$ 行是此张量第一通道的元素值

第 $5-7$ 行是此张量第二通道的元素值

第 $8$ 行的 $2$ $2$ $2$ 是卷积核的形状，其通道数与输入张量一致，都是 $2$ ，行数和列数都是 $2$

第 $9、10$ 行是此卷积核第 $1$ 通道的元素值

第 $11、12$ 行是此卷积核第 $2$ 通道的元素值

最后一行 $2$ $1$ 代表卷积操作中卷积窗滑动的步长 $stride$ 为 $1$ ，$padding$ 为 $0$

• 计算过程:

• 输出尺寸: $H\_out=13+2×0-2+1=2,W\_out=2$

• 输出矩阵位置 $(0,0)$ 的计算过程如下:

  通道 $1$ :窗口 $[[1,2],[4,5]]→(1×1)+(2×0)+(4×0)+(5×1)=6$

  通道 $2$ :窗口 $[[2,3],[5,6]]→(2×2)+(3×0)+(5×0)+(6×2)=4+12=16$

  各通道求和: $6+16=22$

• 输出矩阵位置 $(0,1)$ 和 $(1,0)$ 元素计算过程略。

• 位置 $(1,1)$ 计算:

  通道 $1$ :窗口 $[[5,6],[8,9]]→(5×1)+(6×0)+(8×0)+(9×1)=14$

  通道 $2$ :窗口 $[[6,71,[9,10]]→(6×2)+(7×0)+(9×0)+(10×2)=12+20=32$

  各通道总和: $14+32=46$