基于Keras的卷积神经网络（CNN）可视化

基于Keras的卷积神经网络（CNN）可视化

标签（空格分隔）： 深度学习

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卷积神经网络可视化

• 本文整理自Deep Learning with Python，书本上完整的代码在 这里的5.4节，并陪有详细的注释。
• 深度学习一直被人们称为“黑盒子”，即内部算法不可见。但是，卷积神经网络(CNN)却能够被可视化，通过可视化，人们能够了解CNN识别图像的过程。
• 介绍三种可视化方法
  
  1. 卷积核输出的可视化(Visualizing intermediate convnet outputs (intermediate activations)，即可视化卷积核经过激活之后的结果。能够看到图像经过卷积之后结果，帮助理解卷积核的作用
  2. 卷积核的可视化(Visualizing convnets filters)，帮助我们理解卷积核是如何感受图像的
  3. 热度图可视化(Visualizing heatmaps of class activation in an image)，通过热度图，了解图像分类问题中图像哪些部分起到了关键作用，同时可以定位图像中物体的位置。

卷积核输出的可视化(Visualizing intermediate convnet outputs (intermediate activations)

• 想法很简单：向CNN输入一张图像，获得某些卷积层的输出，可视化该输出
• 代码中，使用到了cats_and_dogs_small_2.h5模型，这是在原书5.2节训练好的模型，当然你完全可以使用keras.applications 中的模型，例如VGG16等。
• 可视化结果如下图。
  
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• 结论：
  
  • 第一层卷积层类似边缘检测的功能，在这个阶段里，卷积核基本保留图像所有信息
  • 随着层数的加深，卷积核输出的内容也越来越抽象，保留的信息也越来越少。
  • 越深的层数，越多空白的内容，也就说这些内容空白卷积核没有在输入图像中找到它们想要的特征

卷积核的可视化(Visualizing convnets filters)

• 卷积核到底是如何识别物体的呢？想要解决这个问题，有一个方法就是去了解卷积核最感兴趣的图像是怎样的。我们知道，卷积的过程就是特征提取的过程，每一个卷积核代表着一种特征。如果图像中某块区域与某个卷积核的结果越大，那么该区域就越“像”该卷积核。
• 基于以上的推论，如果我们找到一张图像，能够使得这张图像对某个卷积核的输出最大，那么我们就说找到了该卷积核最感兴趣的图像。
• 具体思路：输入一张随机内容的图像 I , 求某个卷积核 F 对图像的梯度 G=∂F/∂I ，用梯度上升的方法迭代更新图像 I=I+η∗G ， η 是类似于学习率的东西。
• 代码中，使用以及训练好的VGG16模型，可视化该模型的卷积核。结果如下
  
  • block1_conv1
  • block2_conv1
  • block3_conv1
  • block4_conv1
  • block5_conv1
• 结论：
  
  • 低层的卷积核似乎对颜色，边缘信息感兴趣。
  • 越高层的卷积核，感兴趣的内容越抽象（非常魔幻啊），也越复杂。
  • 高层的卷积核感兴趣的图像越来越难通过梯度上升获得（block5_conv1有很多还是随机噪声的图像）

热度图可视化(Visualizing heatmaps of class activation in an image)

• 在图像分类问题中，假设网络将一张图片识别成“猫”的概率是0.9，我想了解到底最后一层的卷积层对这0.9的概率的贡献是多少。换句话时候，假设最后一层卷积层有512个卷积核，我想了解这512个卷积核对该图片是”猫”分别投了几票。投票越多的卷积核，就越确信图片是“猫”，因为它们提取到的特征趋向猫的特征。
• 代码中，输入了一张大象的图片，然后获得最后一层卷积层的热度图，最后将热度图叠加到原图像，获得图像中起到关键分类作用的部分。结果如下：
  
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