Author ：Horizon Max

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Grad-CAM

随着神经网路模型的不断发展，深度模型通过使用更抽象（增加网络层数）和 更紧密（端到端训练）实现了更好的性能 ；

但随之带来的是对于神经网络的 可解释性 ：为什么会出现这样的结果？网络的关注点在哪？

基于此提出的 Grad-CAM 利用热力图的方式实现网络预测过程的可视化，并帮助我们更好的理解神经网络 ；

Grad-CAM 是 CAM 的推广，不需要更改网络结构或重新训练就能实现更多 CNN 模型的可视化 ；

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

GitHub：PyTorch-Grad-CAM

Grad-CAM 详解

论文贡献

• 提出了一种类别区分的定位技术，可以为任何基于 CNN 的网络生成可视化解释，需要更改网络结构或重新训练 ；
• 可以应用于图像分类、图像描述、视觉问答等模型，用于发现问题与解释不合理的地方 ；
• 揭示了数据集中的偏差来帮助故障诊断 ；
• 介绍了用于图像分类和视觉问答的 ResNets 可视化 ；
• 使用来自 Grad-CAM 神经元的重要性并利用神经元名称用于文本解释 ；
• 展示了 Guided Grad-CAM 的解释是有类别歧视的 ；

原理介绍

→ ： 前向传播     → ： 反向传播

Grad-CAM 可视化流程

• 输入：给定的一个图像和一个感兴趣的类别（ 例如：tiger cat）；
• 通过模型的 CNN 部分进行向前传播，得到特定任务的各类别分数 y（ softmax 层之前 ）；
• 将给定的类别（tiger cat）设置为 1，其他类别的梯度都设置为 0 ；
• 将给定类别分数 y^c 反向传播至卷积特征图，组合计算得到粗糙的梯度CAM定位（蓝色热力图）；
• 将热力图与反向传播的结果进行点乘，得到高分辨率的特定 Grad-CAM 可视化图 ；

Grad-CAM 计算

针对 类别为c、宽度u、高度为v 的类别定位图 Grad-CAM L${}_{Grad-CAM}^c$ ∈ R^u×v

• y^c ：前向传播得到的 类别 c 所对应的分数 (before the softmax) ；
• A ${}_{ij}^k$ ：特征层 A 的第 k 个通道上坐标 ( i, j ) 的数据 ；
• $\frac{\partial y^c}{\partial A^k}$ ：类别 c 在特征层 A 上反向传播得到的梯度信息 ；
• Z ：宽度 i 和 高度 j 的乘积 ；
• 将计算得到的梯度在 宽度 i 和 高度 j 的维度上进行全局平均池化，得到重要性权重 α${}_k^c$ ；

• 计算关于激活函数的权重矩阵和梯度的乘积 ；
• 最后进行加权求和，并通过 ReLU 激活后输出 ；

• c：选取的类别 c ；
• k ：第 k 个通道 ；
• A：需要进行可视化的特征层，一般选取最后一个卷积层的输出 ；
• α ${}_k^c$ ：类别 c 在特征层 A 的第 k 个通道上的权重 ；
• A ^k ：特征层 A 的第 k 个通道上的权重矩阵 ；
• ReLU ：使最后的输出结果 >0 ，抑制不感兴趣的权重部分 ；

详细可以参考下图：

Guided Grad-CAM

虽然 Grad-CAM 具有分类区分和局部化相关图像区域的能力 ；

但仍缺乏类似于 Guided Backpropagation 像素空间梯度可视化的那种突出细粒度细节的能力 ；

基于此，作者通过元素级乘法融合了Guided Backpropagation 和 Grad-CAM 可视化 ；

首先使用双线性插值将 L${}_{Grad-CAM}^c$ 上采样到输入图像分辨率 ；

实例展示

评估 Grad-CAM 定位能力

Grad-CAM 图像分类

Grad-CAM 视觉解释和文本解释

Grad-CAM 图像描述

Grad-CAM 视觉问答

Grad-CAM

• 不同层的可视化 ：

• 对比展示 ：

Grad-CAM 复现

# Here is the code ：

import os
import numpy as np
import torch
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
from torchvision import models
from torchvision import transforms
from pytorch_grad_cam import GradCAM
from pytorch_grad_cam.utils.image import show_cam_on_image
from pytorch_grad_cam.utils.model_targets import ClassifierOutputTarget


def main():
    model = models.resnet50(pretrained=True)
    target_layers = [model.layer4[-1]]

    data_transform = transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ])

    # Prepare image
    img_path = "image.png"
    assert os.path.exists(img_path), "file: '{}' dose not exist.".format(img_path)
    img = Image.open(img_path).convert('RGB')
    img = np.array(img, dtype=np.uint8)
    img_tensor = data_transform(img)
    input_tensor = torch.unsqueeze(img_tensor, dim=0)

    # Grad CAM
    cam = GradCAM(model=model, target_layers=target_layers, use_cuda=True)
    # targets = [ClassifierOutputTarget(281)]     # cat
    targets = [ClassifierOutputTarget(254)]  # dog

    grayscale_cam = cam(input_tensor=input_tensor, targets=targets)
    grayscale_cam = grayscale_cam[0, :]
    visualization = show_cam_on_image(img.astype(dtype=np.float32)/255.,
                                      grayscale_cam, use_rgb=True)

    plt.imshow(visualization)
    plt.show()


if __name__ == '__main__':
    main()

结果展示：

targets = [ClassifierOutputTarget(281)]      # cat

targets = [ClassifierOutputTarget(254)]    # dog