CNN可视化技术总结（二）--卷积核可视化

时间：2021-02-15 09:55:15 阅读：26 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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。

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