一文了解CNN可视化技术总结之卷积核可视化

导言:

上篇文章我们介绍了特征图可视化方法,对于特征图可视化的方法(或者说原理)比较容易理解,即把feature map从特征空间通过反卷积网络映射回像素空间。

那卷积核怎样可视化呢,基于什么原理来可视化?卷积核的尺寸一般只有3x3, 5x5大小,如何可视化?本文将介绍这个两个内容。

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卷积核可视化的原理

卷积核,在网络中起到将图像从像素空间映射到特征空间的作用,可认为是一个映射函数,像素空间中的值经过卷积核后得到响应值,在特征提取网络中,基本都是使用最大池化来选择最大响应值进入下一层继续卷积,其余响应值低的都进入待定。也就是说,我们认定只有响应值大的才会对最终的识别任务起作用。

根据这个思路,给定一个已经训练好的网络,现在想要可视化某一层的某一个卷积核,我们随机初始化生成一张图(指的是对像素值随机取值,不是数据集中随机选一张图),然后经过前向传播到该层,我们希望这个随机生成的图在经过这一层卷积核时,它的响应值能尽可能的大,换句话说,响应值比较大的图像是这个卷积核比较认可的,是与识别任务更相关的。然后不断调整图像像素值,直到响应值足够大,我们就可以认为此时的图像就是这个卷积核所认可的,从而达到可视化该卷积核的目的。

理解了它的原理后,它的实现方法就比较简单了,设计一个损失函数,即以经过该层卷积核后的响应值为目标函数,使用梯度上升,更新像素值,使响应值最大。

实现代码

Setup

import numpy as np import tensorflow as tf from tensorflow import keras # The dimensions of our input image img_width = 180 img_height = 180 # Our target layer: we will visualize the filters from this layer． # See `model．summary()` for list of layer names, if you want to change this． layer_name = "conv3_block4_out"

Build a feature extraction model

# Build a ResNet50V2 model loaded with pre-trained ImageNet weights model = keras．applications．ResNet50V2(weights="imagenet", include_top=False) # Set up a model that returns the activation values for our target layerlayer = model．get_layer(name=layer_name) feature_extractor = keras．Model(inputs=model．inputs, outputs=layer．output)

Set up the gradient ascent process

loss函数取最大化指定卷积核的响应值的平均值,为了避免边界的影响,边界的响应值不计。

def compute_loss(input_image, filter_index):     activation = feature_extractor(input_image)     # We avoid border artifacts by only involving non-border pixels in the loss．     filter_activation = activation[:, 2:-2, 2:-2, filter_index]     return tf．reduce_mean(filter_activation)

@tf．function def gradient_ascent_step(img, filter_index, learning_rate):     with tf．GradientTape() as tape:         tape．watch(img)         loss = compute_loss(img, filter_index)     # Compute gradients．     grads = tape．gradient(loss, img)     # Normalize gradients．     grads = tf．math．l2_normalize(grads)     img += learning_rate * grads     return loss, img

Set up the end-to-end filter visualization loop

def initialize_image():     # We start from a gray image with some random noise     img = tf．random．uniform((1, img_width, img_height, 3))     # ResNet50V2 expects inputs in the range [-1, +1]．     # Here we scale our random inputs to [-0．125, +0．125]     return (img - 0．5) * 0．25 def visualize_filter(filter_index):     # We run gradient ascent for 20 steps     iterations = 30     learning_rate = 10．0     img = initialize_image()     for iteration in range(iterations):         loss, img = gradient_ascent_step(img, filter_index, learning_rate)     # Decode the resulting input image     img = deprocess_image(img[0]．numpy())     return loss, img def deprocess_image(img):     # Normalize array: center on 0．, ensure variance is 0．15     img -= img．mean()     img /= img．std() + 1e-5     img *= 0．15     # Center crop     img = img[25:-25, 25:-25, :]     # Clip to [0, 1]     img += 0．5     img = np．clip(img, 0, 1)     # Convert to RGB array     img *= 255     img = np．clip(img, 0, 255)．astype("uint8")     return img