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关于challenge:如何使用gradcam对ViT的输出进行可视化附代码

jiezi

应用 grad-cam 对 ViT 的输入进行可视化

[TOC]

前言

Vision Transformer (ViT) 作为当初 CV 中的支流 backbone，它能够在图像分类工作上达到与卷积神经网络 (CNN) 相媲美甚至超过的性能。ViT 的核心思想是将输出图像划分为多个小块，而后将每个小块作为一个 token 输出到 Transformer 的编码器中，最终失去一个全局的类别 token 作为分类后果。

ViT 的劣势在于它能够更好地捕获图像中的长距离依赖关系，而不须要应用简单的卷积操作。然而，这也带来了一个挑战，那就是如何解释 ViT 的决策过程，以及它是如何关注图像中的不同区域的。为了解决这个问题，咱们能够应用一种叫做 grad-cam 的技术，它能够依据 ViT 的输入和梯度，生成一张热力求，显示 ViT 在做出分类时最关注的图像区域。

原理

grad-cam 对 ViT 的输入进行可视化的原理是利用 ViT 的最初一个注意力块的输入和梯度，计算出每个 token 对分类后果的贡献度，而后将这些贡献度映射回原始图像的空间地位，造成一张热力求。具体来说，grad-cam+ViT 的步骤如下：

  1. 给定一个输出图像和一个指标类别，将图像划分为 14×14 个小块，并将每个小块转换为一个 768 维的向量。在这些向量之前，还要加上一个非凡的类别 token，用于示意全局的分类信息。这样就失去了一个 197×768 的矩阵，作为 ViT 的输出。
  2. 将 ViT 的输出通过 Transformer 的编码器，失去一个 197×768 的输入矩阵。其中第一个向量就是类别 token，它蕴含了 ViT 对整个图像的了解。咱们将这个向量通过一个线性层和一个 softmax 层，失去最终的分类概率。
  3. 计算类别 token 对指标类别的梯度，即 $\frac{\partial y_c}{\partial A}$，其中 $y_c$ 是指标类别的概率，$A$ 是 ViT 的输入矩阵。这个梯度示意了每个 token 对分类后果的重要性。
  4. 对每个 token 的梯度求平均值，失去一个 197 维的向量 $w$，其中 $w_i = \frac{1}{Z}\sum_k \frac{\partial y_c}{\partial A_{ik}}$，$Z$ 是梯度的维度，即 768。这个向量 $w$ 能够看作是每个 token 的权重。
  5. 将 ViT 的输入矩阵和权重向量相乘，失去一个 197 维的向量 $s$，其中 $s_i = \sum_k w_k A_{ik}$。这个向量 $s$ 能够看作是每个 token 对分类后果的贡献度。
  6. 将贡献度向量 $s$ 除去第一个元素（类别 token），并重塑为一个 14×14 的矩阵 $M$​，其中 $M_{ij} = s_{(i-1) \times 14 + j + 1}$。这个矩阵 $M$ 能够看作是每个小块对分类后果的贡献度。
  7. 将贡献度矩阵 $M$ 进行归一化和上采样，失去一个与原始图像大小雷同的矩阵 $H$，其中 $H_{ij} = \frac{M_{ij} – \min(M)}{\max(M) – \min(M)}$。这个矩阵 $H$ 就是咱们要求的热力求，它显示了 ViT 在做出分类时最关注的图像区域。
  8. 将热力求 $H$ 和原始图像进行叠加，失去一张可视化的图像，能够直观地看到 ViT 的注意力散布。

应用代码 

import argparse
import cv2
import numpy as np
import torch

from pytorch_grad_cam import GradCAM, \
                            ScoreCAM, \
                            GradCAMPlusPlus, \
                            AblationCAM, \
                            XGradCAM, \
                            EigenCAM, \
                            EigenGradCAM, \
                            LayerCAM, \
                            FullGrad

from pytorch_grad_cam import GuidedBackpropReLUModel
from pytorch_grad_cam.utils.image import show_cam_on_image, \
preprocess_image
from pytorch_grad_cam.ablation_layer import AblationLayerVit

# 加载预训练的 ViT 模型
model = torch.hub.load('facebookresearch/deit:main',
'deit_tiny_patch16_224', pretrained=True)
model.eval()

# 判断是否应用 GPU 减速
use_cuda = torch.cuda.is_available()
if use_cuda:
model = model.cuda()

接下来，咱们须要定义一个函数来将 ViT 的输入层从三维张量转换为二维张量，以便 grad-cam 可能解决：

def reshape_transform(tensor, height=14, width=14):
    # 去掉类别标记
    result = tensor[:, 1:, :].reshape(tensor.size(0),
    height, width, tensor.size(2))

    # 将通道维度放到第一个地位
    result = result.transpose(2, 3).transpose(1, 2)
    return result

而后，咱们须要抉择一个指标层来计算 grad-cam。因为 ViT 的最初一层只有类别标记对预测类别有影响，所以咱们不能抉择最初一层。咱们能够抉择倒数第二层中的任意一个 Transformer 编码器作为指标层。在这里，咱们抉择第 11 层作为示例：


# 创立 GradCAM 对象
cam = GradCAM(model=model,
target_layer=model.blocks[5],
use_cuda=use_cuda,
reshape_transform=reshape_transform)

接下来，咱们须要筹备一张输出图像，并将其转换为适宜 ViT 的格局：

# 读取输出图像
image_path = "cat.jpg"
rgb_img = cv2.imread(image_path, 1)[:, :, ::-1]
rgb_img = cv2.resize(rgb_img, (224, 224))

# 预处理图像
input_tensor = preprocess_image(rgb_img,
mean=[0.485, 0.456, 0.406],
std=[0.229, 0.224, 0.225])

# 将图像转换为批量模式
input_tensor = input_tensor.unsqueeze(0)
if use_cuda:
input_tensor = input_tensor.cuda()

最初，咱们能够调用 cam 对象的 forward 办法，传入输出张量和预测类别（如果不指定，则默认为最高概率的类别），失去 grad-cam 的输入：

# 计算 grad-cam
target_category = None # 能够指定一个类别，或者应用 None 示意最高概率的类别
grayscale_cam = cam(input_tensor=input_tensor,
target_category=target_category)

# 将 grad-cam 的输入叠加到原始图像上
visualization = show_cam_on_image(rgb_img, grayscale_cam)

# 保留可视化后果
cv2.imwrite('cam.jpg', visualization)

这样，咱们就实现了应用 grad-cam 对 ViT 的输入进行可视化的过程。咱们能够看到，ViT 次要关注了图像中的猫的头部和身材区域，这与咱们的直觉相符。通过应用 grad-cam，咱们能够更好地了解 ViT 的工作原理，以及它对不同图像区域的重要性。

Pytorch-grad-cam 库的更多办法

除了经典的 grad-cam，库里目前反对的办法还有：

Method What it does
GradCAM 应用均匀梯度对 2D 激活进行加权
GradCAM++ 相似 GradCAM，但应用了二阶梯度
XGradCAM 相似 GradCAM，但通过归一化的激活对梯度进行了加权
EigenCAM 应用 2D 激活的第一主成分（无奈辨别类别，但成果仿佛不错）
EigenGradCAM 相似 EigenCAM，但反对类别辨别，应用了激活 * 梯度的第一主成分，看起来和 GradCAM 差不多，然而更洁净
LayerCAM 应用正梯度对激活进行空间加权，对于浅层有更好的成果

这里给出 MMpretrain 提供的比照示例：

在 MMpretrain 中应用

如果你刚好在用 MMpretrain，那么有着不便的脚本文件来帮忙你更加不便的进行下面的工作，具体可见：类别激活图（CAM）可视化 — MMPretrain 1.0.0rc7 文档

示例

这里也放一些我本人试过的例子：

总结

通过应用 grad-cam，咱们能够更好地了解 ViT 的工作原理，以及它是如何从图像中提取有用的特色的。grad-cam 也能够用于其余基于 Transformer 的模型，例如 DeiT、Swin Transformer 等，只须要依据不同的模型构造和输入，调整相应的计算步骤即可。

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