专栏【PyTorch】

原文链接：https://github.com/zergtant/pytorch-handbook

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import torch
import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from PIL import Image
from torchvision import transforms
from torchvision import models,datasets
import matplotlib.pyplot as plt
torch.__version__

4.2.3 可视化理解卷积神经网络

在上一节中我们已经通过一个预训练的VGG16模型对一张图片进行了分类，下面我们粘贴上一节的代码

cat_img = Image.open('./1280px-Felis_silvestris_catus_lying_on_rice_straw.jpg')
transform_224 = transforms.Compose([
    transforms.Resize(224),
    transforms.CenterCrop((224, 224)),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],
                         std=[0.229, 0.224, 0.225])
])

cat_img_224 = transform_224(cat_img)

上面的代码是我们读取了一张图片，并对图片进行了一些预处理，下面我们来创建vgg16的预训练好网络模型

net = models.vgg16(pretrained=True)  # 修改这里可以更换其他与训练的模型
inputs = cat_img_224[np.newaxis]  # 这两个方法都可以cat_img_224[None,::]

进行一次前向的传播，看看得到了什么结果

out = net(inputs)
_, preds = torch.max(out.data, 1)
preds
label = preds.numpy()[0]
label

我们看到了，这里返回的是285，代码几乎一样，但是返回的结果与上一节的样例有差别，这是什么原因呢？

首先我们先看一下这个数字的含义，我们使用的是通过imagenet来作为预训练的模型，imagenet里面有1000个分类，我们如何去找这个含义呢？

有好心人已经给我们准备好了 这个连接

我们找一下 285: ‘Egyptian cat’, 说明识别出了是一只猫，种类还是埃及猫，应该还是比较准确的，但是这张图片是我特意寻找的，里面包含了很多隐藏的细节，这里就不多介绍了，大家如果有兴趣，可以换一个模型，或者修改下transforms方法，看看模型都会识别出来是什么类别。

注：不同的预训练权重也会出现不同的结果，我测试出现过277，282，287等结果

下面我们开始进入正题，卷积神经网络的可视化

背景

CNN模型虽然在图像处理上表现出非常良好的性能和准确性，但一直以来都被认为是一个黑盒模型，人们无法了解里面的工作机制。

针对这个问题，研究人员除了从理论层面去寻找解释外，也提出了一些可视化的方法直观地理解CNN的内部机理，毕竟眼见为实，看到了大家就相信了。

这里介绍两类方法，一种是基于Deconvolution, 另一种则是基于反向传播的方法。我们主要使用代码实现基于反向传播的方法的可视化。

基于Deconvolution的方法

Visualizing and Understanding Convolutional Networks

主要是将激活函数的特征映射回像素空间，来揭示什么样的输入模式能够产生特定的输出, 因为网络是有层级关系的，所以越靠近输出的层级学到的特征越抽象，与实际任务越相关，这里就不多介绍了，这里有一个使用 keras的实现，有兴趣的可以看看

基于Backpropagation的方法

另外一类的实现就是基于Backpropagation的方法，这里我们主要进行介绍，在介绍之前，我们首先要引用一下别人写的代码 pytorch-cnn-visualizations, 将这个代码的src目录放到与这个notebook同级别目录下，我们后面会直接调用他的代码进行演示操作。

首先，我们做一些准备工作

import sys
sys.path.insert(0, './src/')

def rgb2gray(rgb):
    return np.dot(rgb[..., :3], [0.299, 0.587, 0.114])

def rescale_grads(map, gradtype="all"):
    if(gradtype == "pos"):
        map = (np.maximum(0, map) / map.max())
    elif gradtype == "neg":
        map = (np.maximum(0, -map) / -map.min())
    else:
        map = map - map.min()
        map /= map.max()
    return map

Guided-Backpropagation

这个方法来自于ICLR-2015 的文章《Striving for Simplicity: The All Convolutional Net》，文中提出了使用stride convolution替代pooling操作，这样整个结构都只有卷积操作。作者为了研究这种结构的有效性，提出了guided-backpropagation的方法。

大致的方法为：选择某一种输出模式，然后通过反向传播计算输出对输入的梯度。这种方式与上一种deconvnet的方式的唯一区别在于对ReLU梯度的处理。

ReLU在反向传播的计算采用的前向传播的特征作为门阀，而deconvnet采用的是梯度值，guided-backpropagation则将两者组合在一起使用，这样有助于得到的重构都是正数。

这段话可能有点绕，具体细节还是看论文吧, 我们这里只关注如何实现

from guided_backprop import GuidedBackprop  # 这里直接引用写好的方法，在src，目录找想对应的文件
inputs.requires_grad = True  # 这句话必须要有，否则会报错
GB = GuidedBackprop(net)
gp_grads = GB.generate_gradients(inputs, label)
gp_grads = np.moveaxis(gp_grads, 0, -1)
# 我们分别计算三类的gp
ag = rescale_grads(gp_grads, gradtype="all")
pg = rescale_grads(gp_grads, gradtype="pos")
ng = rescale_grads(gp_grads, gradtype="neg")

下面我们使用matplotlib看看结果

plt.imshow(cat_img)

plt.imshow(ag)

plt.imshow(ng)

plt.imshow(ag)

上面三张图是rbg三个通道的展示结果，下面我们合并成一个通道再看一下

gag = rgb2gray(ag)
plt.imshow(gag)

gpg = rgb2gray(pg)
plt.imshow(gpg)

gng = rgb2gray(ng)
plt.imshow(gng)

CAM（Class Activation Map）

这个方法严格来说不是基于梯度的，但是后面我们会将反向传播与CAM整合，所以简单的对CAM做个说明。

CAM 来自CVPR 2016 《Learning Deep Features for Discriminative Localization》，作者在研究global average pooling（GAP）时，发现GAP不止作为一种正则，减轻过拟合，在稍加改进后，可以使得CNN具有定位的能力，CAM（class activation map）是指输入中的什么区域能够指示CNN进行正确的识别。

通常特征图上每个位置的值在存在其感知野里面某种模式时被激活，最后的class activation map是这些模式的线性组合，我们可以通过上采样，将class activation map还原到与原图一样的大小，通过叠加，我们就可以知道哪些区域是与最后分类结果息息相关的部分。

这里就不介绍了

Grad-CAM

Grad-CAM: Visual Explanations from Deep Networks via Gradient-based Localization

顾名思义Grad-CAM的加权系数是通过反向传播得到的，而CAM的特征加权系数是分类器的权值。

Grad-CAM与CAM相比，它的优点是适用的范围更广，Grad-CAM对各类结构，各种任务都可以使用。这两种方法也可以应用于进行弱监督下的目标检测，后续也有相关工作基于它们进行改进来做弱监督目标检测。

import math
from gradcam import GradCam
from guided_gradcam import guided_grad_cam
from guided_backprop import GuidedBackprop

nlayers = len(net.features._modules.items()) - 1
print(nlayers)  # 打印一下一共有多少层
cam_list = []

# 下面我们循环每一层
for layer in range(nlayers):
    # GradCam
    grad_cam = GradCam(net, target_layer=layer)
    cam = grad_cam.generate_cam(inputs, label)

    # GuidedBackprop
    GBP = GuidedBackprop(net)
    guided_grads = GBP.generate_gradients(inputs, label)

    # Guided Grad cam
    cam_gb = guided_grad_cam(cam, guided_grads)
    cam_list.append(rgb2gray(np.moveaxis(cam_gb, 0, -1)))

我们选个图，看看效果

plt.imshow(cam_list[0])

在 Visualizing and Understanding Convolutional Networks 中作者还给出了其他不同的方法，这里就不详细说明了

需要注意的是，在使用Visualizing and Understanding Convolutional Networks的时候，对网络模型是有要求的，要求网络将模型包含名为features的组合层，这部分是代码中写死的，所以在pytorch的内置模型中，vgg、alexnet、densenet、squeezenet是可以直接使用的，inception(googlenet)和resnet没有名为features的组合层，如果要使用的话是需要对代码进行修改的。