快速入门使用tikz绘制深度学习网络图
【GiantPandaCV导语】本文主要介绍最最最基础的tikz命令和一些绘制CNN时需要的基础的LaTeX知识，希望能在尽可能短的时间内学会并实现使用tikz这个LaTeX工具包来绘制卷积神经网络示意图。之前看到tikz可以画出这种图，感觉特别专业，所以萌发出了解一下tikz的想法。
1. overleaf平台
在电脑上安装过LaTeX都知道，LaTeX安装包巨大，并且安装速度缓慢，下载和安装的时间需要几乎一下午才能完成。庆幸的是有一个平台可以在线编译文档，那就是overleaf，如今overleaf也推出了中文版本网站：https://cn.overleaf.com/ 以下代码全部是在overleaf平台上编写运行得到的。
最左侧是项目文件列表，中间是代码编辑区，右侧是可视化区，十分方便，只要网络通常，就可以方便地得到结果。并且这个平台提供了好多模板，可以直接使用，太太太太太棒啦。
2. 快速入门tikz
快速熟悉还是要推荐《minimaltikz》这本电子书，可以直接访问http://cremeronline.com/LaTeX/minimaltikz.pdf获取或者在后台回复latex获取。
这本书一共24页，算是尽量压缩了内容了，在这一节中将分析一下其中给的几个例子，用于快速入门：
所有tikz绘制图像的代码都应该在tikzpicture这个环境中使用。
\begin{tikzpicture}
...
\end{tikzpicture}
直角坐标系下：(\(<a>\),\(<b>\))的形式代表二维坐标系中的一个点，单位是cm。
极坐标系下：(\(<\theta>\):\(<r>\)),\(\theta\)代表极角，单位是度。
\coordinate可以对某个点进行重命名如：
\coordinate (s) at (0,1);
2.1 直线
那最基础的画几条线的实现是通过\draw完成：
\begin{tikzpicture}
\draw (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}
--符号代表两点之间的连线，可以连续链接多段。cycle代表让路径回到起点，生成闭合路径。
\draw还可以添加选项，比如让线变粗、变红、箭头等需求，都很简单。
\begin{tikzpicture}
\draw (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}
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) grid(5,5);
\draw (0.5, 0.5) -- (3,3);
%
\draw (1,0) -- (3,2);
\end{tikzpicture}
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) grid(5,5);
\draw (0,0) -- (2,3);
\draw (2,2) -- (4,0);
%
\end{tikzpicture}
2.2 曲线
画一些曲线就需要使用circle、rectangle、arc等进行约束。
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) grid(5,5);
\draw (1,1) rectangle(3,3); % 正方形 需要左下角坐标和右上角坐标
\draw (2,2) circle; %圆形 需要圆心坐标和半径
\draw (1,0) arc ;
\draw[<->, rounded corners, thick, purple] (0,5) -- (0,0) -- (5,0);
\end{tikzpicture}
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) grid(6,3);
\draw (0,0) to (1,1) to (2,2)
to (3,3) to (4,2) to (5,1)
to (6,0);
\end{tikzpicture}
这是练习画弧线的时候想练习的一个例子，结果如下
in代表进入的角度，out代表出来时候的角度，为了方便，笔者画了一个辅助图，对照代码方便理解。
2.3 画函数曲线
\begin{tikzpicture}
\draw[<->] (0,0.8) -- (0,0) -- (0.8,0);
\draw
plot(\x, {0.025+\x*\x});
\draw
plot(\x, {sqrt(\x)});
\draw
plot(\x, {abs(\x)});
\end{tikzpicture}
domain限制变量范围，然后可以画图，结果如下：
2.4 填充
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) rectangle(1,1);
\draw (2,0) rectangle(3,1);
\draw (5,0) circle;
\draw (9,0) rectangle (11,1);
\draw (9.25,0.25) rectangle (10,1.5);
\path (0,-2) rectangle (1.5,-3);
\draw (2,-2) rectangle (3.5,-3);
\end{tikzpicture}
通过fill参数控制结果，效果如下：
2.6 添加文字
使用\node
\node [<options>] (<name>) at (<coordinate>) {<text>};
举个例子：
\begin{tikzpicture}
\draw (0,1) -- (0,0) -- (1,0);
\draw (1,1) circle ;
\node at (.5,.75) {below right};
\node at (.5,.75) {above left};
\node at (.5,.75) {below left};
\node at (.5,.75) {above right};
\end{tikzpicture}
其实CNN画图主要用的是画一条线的功能，下面来看如何画CNN。
3. 绘制一个CNN模块
对于一个初学者来说，https://github.com/HarisIqbal88/PlotNeuralNet 这个库虽然画的很好，但是难度曲线太高了，退而求其次，使用https://github.com/pprp/SimpleCVReproduction/tree/master/tikz_cnn 进行解析。
首先介绍一个LaTeX中用于封装的命令，\newcommand，当我们不希望写很长的命令，那就需要类似函数的一个方式，封装好固定的操作，根据传入参数完成执行。
\newcommand<命令>[<参数个数>][<首参数默认值>]{<具体的定义>}
举一个例子：
\newcommand\loves{#1 喜欢 #2}
\loves{我}{你}
输出结果就是：我喜欢你
\newcommand{\networkLayer}{
% 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)
% 全局变量
\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} {}}
{} % 为空什么都不做
{ % 非空 开始画层与层之间的连线
\foreach \val in #9
% \val = start_front
\draw (\val)--(#8_back);
}
% Draw the layer body.
% back plane
\draw(blr) -- (bur) -- (bul);
% front plane
\draw(fll) -- (flr) node {\inText} -- (fur) -- (ful) -- (fll);
\draw(blr) -- (flr);
\draw(bur) -- (fur);
\draw(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 (#8_back) circle;
\node at (#8_back) {back};
\draw (#8_top) circle;
\node at (#8_top) {top};
\draw (#8_bottom) circle;
\node at (#8_bottom) {bottom};
\draw (#8_front) circle;
\node at (#8_front) {front};
}
假设以下命令调用，结果会是什么？
\begin{tikzpicture}
\draw (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 (0,0,2) -- (0,2,2);
\draw (0,2,0) -- (0,2,2);
\draw (0,0,2) -- (2,0,2);
\draw (2,0,0) -- (2,0,2);
\draw (1,0,0) -- (1,0,2);
\draw (0,0,1) -- (2,0,1);
\draw[<->, thick] (0,2) -- (0,0) -- (2,0);
%HW -D -x- y- z - fill color -text - 坐标 - 链接
\networkLayer{1}{0.5}{0}{0}{0}{color=green!20}{conv1}{}{}
\end{tikzpicture}
显示结果如下：
卷积神经网络的示意图实际上是一个个立方体构成的，立方体之间可能会有额外连线，代表特征融合；还可能需要题注，为这个特征图立方体进行命名；必须要有立方体的位置信息，长宽高；还需要颜色填充的功能；
综合以上需求，这个函数提供了9个参数分别是：
[*]
[*]
[*]1 H&W 控制立方体右侧这一面的高度，默认为正方形。
[*]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 填充的颜色
[*]7 Text展示的文本，放在最下侧
[*]8 坐标名称，通过命名便于#9访问
[*]9 通过名称指定连接位置，用于连接前方层的时候使用
[*]
由于每绘制一个立方体，右侧立方体的X偏置就应该加上左侧立方体的Depth值，这部分代码这样处理的。
\FPset{totalOffset}{0} % 设置全局变量totaloffset
\xdef\totalOffset{\totalOffset}
\ifthenelse{\equal{#8} {start}}
% 如果#8坐标名称为start，那么将totaloffset归零
{\FPset{totalOffset}{0}}
{}% 否则什么都不做
\FPeval\currentOffset{0+(totalOffset)+(#3)}
% 计算当前offset也就是#3 X+totalOffset
赋值过程：
\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}
计算立方体表面坐标(将点可视化是额外添加的，为了便于理解)
% 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);
计算7个顶点位置，被挡住的也可以计算，但是因为这里不打算绘制所以不计算。
% 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
绘制立方块之间的连线：
% Draw connections from other points to the back of this node
\ifthenelse{\equal{#9} {}}
{} % 为空什么都不做
{ % 非空 开始画层与层之间的连线
\foreach \val in #9
% \val = start_front
\draw (\val)--(#8_back);
}
绘制立方体主体部分，也就是将7个点连接起来。
% back plane
\draw(blr) -- (bur) -- (bul);
% front plane
\draw(fll) -- (flr) node {\inText} -- (fur) -- (ful) -- (fll);
\draw(blr) -- (flr);
\draw(bur) -- (fur);
\draw(bul) -- (ful);
填充颜色：
% 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] ($(flr)+(0,\b,-\b)$) -- ($(blr)+(0,\b,\b)$) -- ($(bur)+(0,-\b,\b)$) -- ($(fur)+(0,-\b,-\b)$);}
上边的图是通过以下代码生成的：
\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代表的是链接#8=mid的front部分，front也可以被top、back、bottom取代。
代码改变世界
https://blog.51cto.com/u_15467355/4855566
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