神经网络可视化：卷积核可视化

news2025/1/10 18:16:36

文章目录

前言
- - 一般过程：
一、代码示例
二、卷积核和输入图片相乘可视化
总结

前言

卷积核可视化是一种用于理解卷积神经网络 (CNN) 中卷积层的工作原理和特征提取能力的方法。通过可视化卷积核，我们可以观察卷积层学习到的特征模式，帮助我们理解网络如何对输入进行处理。

本文给出了一个具体的pytorch实现的例子。
本文还给了一个用权重核和直接卷积图像的例子。

一般过程：

导入必要的库和模型：首先，你需要导入相关的库，如 PyTorch、NumPy 和 Matplotlib，并加载已经训练好的 CNN 模型。

获取卷积层权重：从模型中获取卷积层的权重。这些权重通常存储在模型的卷积层参数中。

可视化卷积核：对于每个卷积层，获取对应的权重，并以图像形式展示。可以使用 Matplotlib 或其他图像处理库来显示卷积核。

可选：对于多通道的卷积核，你可以将每个通道的权重分别可视化，以更好地理解卷积核的组成。

一、代码示例

以resnet50为例进行第一层可视化

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


def visualize_conv_filters():
    # 设置GPU设备
    torch.cuda.set_device(0) # 没有GPU可以删除

    model = models.resnet50(pretrained=True)
    model = model.cuda()  # 将模型移动到GPU上 # 没有GPU可以删除

    # 获取第一个卷积层的权重
    conv1_weights = model.conv1.weight.data.cpu().numpy()
    # 调整权重形状，从 [out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size] 变为 [out_channels, kernel_size, kernel_size, in_channels]
    conv1_weights = np.transpose(conv1_weights, (0, 2, 3, 1))

    # 可视化卷积核
    fig, axes = plt.subplots(nrows=8, ncols=8, figsize=(12, 12))
    for i, ax in enumerate(axes.flat):
        ax.imshow(conv1_weights[i])
        ax.axis('off')

    plt.show()


if __name__ == '__main__':
    visualize_conv_filters()

获得图像：
在这里插入图片描述

二、卷积核和输入图片相乘可视化

把卷积核（作为权重）和图片进行卷积操作

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

def visualize_conv_filters(model_conv, img_file):
    # 设置GPU设备
    # torch.cuda.set_device(gpu_number)

    # model = models.resnet50(pretrained=True)
    # model = model.cuda()  # 将模型移动到GPU2上

    # 获取第一个卷积层的权重
    conv1_weights = model_conv.weight.data.cpu().numpy()
    # 调整权重形状，从 [out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size] 变为 [out_channels, kernel_size, kernel_size, in_channels]
    conv1_weights = np.transpose(conv1_weights, (0, 2, 3, 1))

    # 读入图像
    image = Image.open(img_file)
    image = transforms.ToTensor()(image)
    image = image.unsqueeze(0)  # 添加批次维度并将图像移动到GPU上

    # 对每个卷积核进行卷积操作并绘制图像
    fig, axes = plt.subplots(nrows=8, ncols=4, figsize=(12, 6),dpi=100)

    al_list = range(conv1_weights.shape[0])

    for i, ax in zip(al_list, axes.flat):
        conv1_weight = conv1_weights[i]
        conv1_weight = torch.from_numpy(conv1_weight).permute(2, 0, 1).cuda()  # 将当前卷积核移动到GPU上

        # 对图像的每个通道进行卷积操作
        output_channels = []
        for channel in range(conv1_weight.size(0)):
            conv1_weight_ = torch.unsqueeze(conv1_weight, 0)
            ## 重点代码，卷积操作
            output_channel = torch.nn.functional.conv2d(image[:,channel:channel+1,:,:],
                                                        conv1_weight_[:,channel:channel+1,:,:],
                                                        stride=(1, 1), padding=0)
            output_channels.append(output_channel)

        # 合并卷积后的通道
        output = torch.cat(output_channels, dim=1)

        # 转换为NumPy数组并绘制图像
        output = output.squeeze(0).cpu().detach().numpy()  # 移除批次维度，并将结果移动到CPU上
        output = np.transpose(output, (1, 2, 0))  # 调整形状为 [height, width, channels]
        ax.imshow(output)
        ax.axis('off')
        # input('>>')

    if not os.path.exists('./img/'):
        os.mkdir('./img/')
    plt.savefig('./img/abc.png')

if __name__ == '__main__':
    model = models.resnet50(pretrained=True)
    torch.cuda.set_device(0)
    img_file = 'img_1.png'
    visualize_conv_filters(model.conv1, img_file)