百度360必应搜狗淘宝本站头条
当前位置:网站首页 > IT知识 > 正文

PyTorch 深度学习实战(31):可解释性AI与特征可视化

liuian 2025-05-08 19:40 20 浏览

在上一篇文章中,我们探讨了模型压缩与量化部署技术。本文将深入可解释性AI与特征可视化领域,揭示深度学习模型的决策机制,帮助开发者理解和解释模型的内部工作原理。

一、可解释性AI基础

1. 核心概念

  • 特征重要性:识别输入特征对预测结果的贡献度
  • 决策归因:追溯模型决策的关键依据
  • 概念激活:识别模型学习的高级语义概念

2. 主要方法对比

方法类型

代表技术

适用场景

可视化粒度

基于梯度

Saliency Map

分类任务

像素级

基于扰动

LIME

任意模型

特征块级

类激活映射

Grad-CAM

CNN模型

空间区域级

概念分析

TCAV

概念解释

语义概念级


二、PyTorch特征可视化实战

1. 特征重要性分析(Saliency Map)

import torch
import matplotlib.pyplot as plt
from torchvision import models, transforms
from PIL import Image

# 加载预训练模型
model = models.resnet50(weights='IMAGENET1K_V1').eval()

preprocess = transforms.Compose([
    transforms.Resize(256),
    transforms.CenterCrop(224),
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]),
])

# 加载图片
def load_image(image_path):
    image = Image.open(image_path)
    image_tensor = preprocess(image)
    image_tensor = image_tensor.unsqueeze(0)  
    return image_tensor

# 生成Saliency Map
def generate_saliency(img_tensor, model):
    img_tensor.requires_grad_()
    output = model(img_tensor)
    output.max().backward()
    saliency = img_tensor.grad.data.abs().max(dim=1)[0]
    return saliency.squeeze().cpu().numpy()

# 可视化
img = load_image('cat.jpeg')  # 自定义图像加载函数
saliency = generate_saliency(img, model)
plt.imshow(saliency, cmap='hot')
plt.colorbar()
plt.show()

原图:

输出:

2. 类激活映射(Grad-CAM)

import torch
import torch.nn.functional as F
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from torchvision import models, transforms
from PIL import Image
import cv2
import matplotlib.font_manager as fm

# 设置中文字体
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 使用黑体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

class GradCAM:
    def __init__(self, model, target_layer):
        """GradCAM类初始化
        Args:
            model: 目标模型
            target_layer: 要计算CAM的目标层
        """
        self.model = model
        self.gradients = None  # 保存梯度
        self.activations = None  # 保存激活值
        self.target_layer = target_layer
        
        # 注册前向和反向钩子
        self.target_layer.register_forward_hook(self.save_activations)
        self.target_layer.register_full_backward_hook(self.save_gradients)
    
    def save_activations(self, module, input, output):
        """保存前向传播的激活值"""
        self.activations = output.detach()  # 不计算梯度
    
    def save_gradients(self, module, grad_input, grad_output):
        """保存反向传播的梯度"""
        self.gradients = grad_output[0].detach()  # 不计算梯度
    
    def forward(self, x):
        """前向传播"""
        return self.model(x)
    
    def __call__(self, x, class_idx=None):
        """生成GradCAM热力图
        Args:
            x: 输入张量
            class_idx: 目标类别索引,None表示自动选择最高概率类别
        Returns:
            cam: 归一化的热力图
            class_idx: 使用的类别索引
        """
        # 前向传播获取预测结果
        logits = self.forward(x)
        if class_idx is None:
            class_idx = logits.argmax()  # 自动选择最高概率类别
        
        # 反向传播计算梯度
        self.model.zero_grad()
        logits[0, class_idx].backward(retain_graph=True)
        
        # 计算权重(全局平均池化梯度)
        weights = self.gradients.mean(dim=(2, 3), keepdim=True)
        # 计算类激活图
        cam = (weights * self.activations).sum(dim=1, keepdim=True)
        cam = F.relu(cam)  # 只保留正激活
        cam = F.interpolate(cam, x.shape[2:], mode='bilinear', align_corners=False)  # 上采样到输入尺寸
        
        # 归一化到[0,1]范围
        cam_min, cam_max = cam.min(), cam.max()
        cam = (cam - cam_min) / (cam_max - cam_min + 1e-8)  # 避免除以零
        
        return cam.squeeze().cpu().numpy(), class_idx.item()

# 图像预处理流程
preprocess = transforms.Compose([
    transforms.Resize(256),  # 调整大小
    transforms.CenterCrop(224),  # 中心裁剪
    transforms.ToTensor(),  # 转为张量
    transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]),  # ImageNet标准化
])

def load_image(image_path):
    """加载并预处理图像
    Args:
        image_path: 图像路径
    Returns:
        image_tensor: 预处理后的张量
        original_image: 原始PIL图像
    """
    image = Image.open(image_path).convert('RGB')  # 确保RGB格式
    image_tensor = preprocess(image)
    image_tensor = image_tensor.unsqueeze(0)  # 添加批次维度
    return image_tensor, image

def visualize_gradcam(image, heatmap, alpha=0.5):
    """可视化GradCAM结果
    Args:
        image: 原始PIL图像
        heatmap: GradCAM生成的热力图
        alpha: 热力图透明度
    Returns:
        superimposed_img: 叠加后的图像
    """
    # 转换图像为numpy数组并调整大小
    img = np.array(image)
    img = cv2.resize(img, (224, 224))
    
    # 调整热力图大小并应用颜色映射
    heatmap = cv2.resize(heatmap, (img.shape[1], img.shape[0]))
    heatmap = np.uint8(255 * heatmap)  # 转为0-255范围
    heatmap = cv2.applyColorMap(heatmap, cv2.COLORMAP_JET)  # 应用Jet颜色
    
    # 叠加热力图和原始图像
    superimposed_img = heatmap * alpha + img * (1 - alpha)
    superimposed_img = np.clip(superimposed_img, 0, 255).astype(np.uint8)  # 限制范围
    
    return superimposed_img

# 主程序
if __name__ == "__main__":
    # 加载预训练ResNet50模型
    model = models.resnet50(weights='IMAGENET1K_V1').eval()
    
    try:
        # 加载图像
        img_tensor, original_image = load_image('cat.jpeg')
        
        # 设置目标层(ResNet50最后一个卷积层)
        target_layer = model.layer4[-1].conv3
        grad_cam = GradCAM(model, target_layer)
        
        # 生成热力图
        heatmap, class_idx = grad_cam(img_tensor)
        
        # 可视化结果
        fig, ax = plt.subplots(1, 3, figsize=(15, 5))
        
        # 原始图像
        ax[0].imshow(original_image)
        ax[0].set_title('原始图像')
        ax[0].axis('off')
        
        # 热力图
        ax[1].imshow(heatmap, cmap='jet')
        ax[1].set_title('GradCAM热力图')
        ax[1].axis('off')
        
        # 叠加效果
        superimposed = visualize_gradcam(original_image, heatmap)
        ax[2].imshow(superimposed)
        ax[2].set_title(f'可视化结果 (类别: {class_idx})')
        ax[2].axis('off')
        
        plt.tight_layout()
        plt.savefig('gradcam_results.png', bbox_inches='tight', dpi=300)
        plt.show()
        
    except FileNotFoundError:
        print("错误:未找到'cat.jpeg'文件,请确保图像存在")
    except Exception as e:
        print(f"发生错误: {e}")

输出为:


三、高级可视化技术

1. 特征反演(Feature Inversion)

import torch
import torch.nn.functional as F
from torch import optim
from torchvision import models
import matplotlib.pyplot as plt


def invert_features(model, target_features, input_size=(3, 224, 224),
                    num_iterations=300, lr=0.1, show_progress=True):
    """
    通过优化随机输入来反演生成与目标特征匹配的图像

    参数:
        model (nn.Module): 特征提取模型(需要返回目标层的特征)
        target_features (Tensor): 目标特征图(形状需与model输出一致)
        input_size (tuple): 生成图像的尺寸(channels, height, width)
        num_iterations (int): 优化迭代次数
        lr (float): 学习率
        show_progress (bool): 是否显示优化过程

    返回:
        Tensor: 反演生成的图像(1, C, H, W)
    """
    # 1. 初始化随机输入(使用正态分布)
    synthetic_img = torch.randn(1, *input_size,
                                requires_grad=True,
                                device=target_features.device)

    # 2. 设置优化器(Adam + 学习率衰减)
    optimizer = optim.Adam([synthetic_img], lr=lr)
    scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=100, gamma=0.5)

    # 3. 优化循环
    losses = []
    best_img = None
    best_loss = float('inf')

    for i in range(num_iterations):
        optimizer.zero_grad()

        # 前向传播获取当前特征
        current_features = model(synthetic_img)

        # 计算MSE损失 + 正则项(图像总变分正则化)
        mse_loss = F.mse_loss(current_features, target_features)
        tv_loss = total_variation(synthetic_img) * 1e-6  # 总变分正则化
        loss = mse_loss + tv_loss

        # 反向传播
        loss.backward()
        optimizer.step()
        scheduler.step()

        # 数值截断(保持合理范围)
        synthetic_img.data = torch.clamp(synthetic_img, -2.5, 2.5)

        # 记录最佳结果
        if loss.item() < best_loss:
            best_loss = loss.item()
            best_img = synthetic_img.detach().clone()

        losses.append(loss.item())

        # 打印进度
        if show_progress and (i % 50 == 0 or i == num_iterations - 1):
            print(f'Iter [{i + 1}/{num_iterations}], Loss: {loss.item():.4f}')

    # 4. 后处理并返回最佳结果
    final_img = post_process(best_img)

    # 可视化结果
    if show_progress:
        visualize_results(losses, final_img)

    return final_img


def total_variation(img):
    """计算图像的总变分(平滑性正则化)"""
    batch_size = img.size(0)
    height_var = torch.sum(torch.abs(img[:, :, 1:, :] - img[:, :, :-1, :]))
    width_var = torch.sum(torch.abs(img[:, :, :, 1:] - img[:, :, :, :-1]))
    return (height_var + width_var) / batch_size


def post_process(img_tensor):
    """后处理生成图像"""
    # 1. 反归一化(假设输入是ImageNet标准化后的)
    mean = torch.tensor([0.485, 0.456, 0.406]).view(1, 3, 1, 1).to(img_tensor.device)
    std = torch.tensor([0.229, 0.224, 0.225]).view(1, 3, 1, 1).to(img_tensor.device)
    img = img_tensor * std + mean

    # 2. 裁剪到[0,1]范围
    img = torch.clamp(img, 0, 1)
    return img


def visualize_results(losses, img_tensor):
    """可视化优化过程和结果"""
    plt.figure(figsize=(12, 4))

    # 1. 绘制损失曲线
    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.plot(losses)
    plt.title('Optimization Loss')
    plt.xlabel('Iteration')
    plt.ylabel('Loss')

    # 2. 绘制生成图像
    plt.subplot(1, 2, 2)
    img = img_tensor.squeeze().permute(1, 2, 0).cpu().numpy()
    plt.imshow(img)
    plt.title('Generated Image')
    plt.axis('off')

    plt.tight_layout()
    plt.show()


# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    # 示例用法(需要实际模型和目标特征)
    model = models.resnet50(pretrained=True).eval()
    target_features = torch.randn(1, 2048, 7, 7)  # 模拟ResNet50最后一层特征


    # 提取中间层特征(需要修改模型forward)
    class FeatureExtractor(torch.nn.Module):
        def __init__(self, model):
            super().__init__()
            self.model = model
            self.features = None
            # 注册钩子获取layer4输出
            model.layer4.register_forward_hook(self.save_features)

        def save_features(self, module, input, output):
            self.features = output.detach()

        def forward(self, x):
            _ = self.model(x)  # 标准前向传播
            return self.features


    feature_model = FeatureExtractor(model)

    # 运行特征反演
    generated_img = invert_features(
        model=feature_model,
        target_features=target_features,
        num_iterations=300,
        lr=0.05,
        show_progress=True
    )

输出为:

Iter [1/300], Loss: 1.6159
Iter [51/300], Loss: 1.2094
Iter [101/300], Loss: 1.2376
Iter [151/300], Loss: 1.1462
Iter [201/300], Loss: 1.1278
Iter [251/300], Loss: 1.1206
Iter [300/300], Loss: 1.1194

2. 概念激活向量(TCAV)

import torch
import numpy as np
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from tqdm import tqdm
from typing import List, Tuple
from torchvision.transforms import functional as F  # 直接使用functional接口

class TCAV:
    def __init__(self, model: torch.nn.Module, layer_name: str):
        """TCAV初始化
        Args:
            model: 目标神经网络模型
            layer_name: 要分析的目标层名称(如'layer4')
        """
        self.model = model
        self.layer_output = None
        self.hook = self._register_hook(layer_name)
        self.device = next(model.parameters()).device
    
    def _register_hook(self, layer_name: str):
        """注册前向钩子到指定层"""
        def hook_fn(module, input, output):
            self.layer_output = output.detach()
        return self.model._modules[layer_name].register_forward_hook(hook_fn)
    
    def compute_concept_sensitivity(self, 
                                  concept_imgs: List[torch.Tensor], 
                                  random_imgs: List[torch.Tensor],
                                  n_splits: int = 5) -> Tuple[float, np.ndarray]:
        """计算概念敏感度"""
        concept_features = self._extract_features(concept_imgs)
        random_features = self._extract_features(random_imgs)
        
        X = torch.cat([concept_features, random_features]).cpu().numpy()
        y = np.concatenate([np.ones(len(concept_features)), 
                           np.zeros(len(random_features))])
        
        accuracies, cavs = [], []
        for _ in range(n_splits):
            idx = np.random.permutation(len(X))
            lr = LogisticRegression(penalty='l2', C=0.01, max_iter=1000)
            lr.fit(X[idx], y[idx])
            accuracies.append(lr.score(X[idx], y[idx]))
            cavs.append(lr.coef_[0])
        
        return np.mean(accuracies), np.mean(cavs, axis=0)
    
    def _extract_features(self, imgs: List[torch.Tensor]) -> torch.Tensor:
        """直接处理张量输入"""
        features = []
        for img in tqdm(imgs, desc='Extracting features'):
            if img.dim() == 3:
                img = img.unsqueeze(0).to(self.device)
            self.model(img)
            features.append(self.layer_output.flatten())
        return torch.stack(features)
    
    def __del__(self):
        self.hook.remove()

# 正确的预处理函数
def preprocess_tensor(img_tensor: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
    """直接对张量进行预处理"""
    # 1. 调整大小和裁剪
    img_tensor = F.resize(img_tensor, [256])
    img_tensor = F.center_crop(img_tensor, [224, 224])
    
    # 2. 标准化 (使用ImageNet统计量)
    mean = torch.tensor([0.485, 0.456, 0.406]).view(3, 1, 1)
    std = torch.tensor([0.229, 0.224, 0.225]).view(3, 1, 1)
    return (img_tensor - mean) / std

if __name__ == "__main__":
    import torchvision
    
    # 1. 加载模型
    model = torchvision.models.resnet18(weights='IMAGENET1K_V1').eval()
    
    # 2. 生成模拟数据 (直接创建预处理后的张量)
    def create_mock_batch(batch_size=10):
        imgs = torch.clamp(torch.randn(batch_size, 3, 256, 256)*0.5 + 0.5, 0, 1)
        return torch.stack([preprocess_tensor(img) for img in imgs])
    
    concept_imgs = create_mock_batch()  # 10张概念图像
    random_imgs = create_mock_batch()   # 10张随机图像
    
    # 3. 运行TCAV
    tcav = TCAV(model, 'layer4')
    accuracy, cav = tcav.compute_concept_sensitivity(
        concept_imgs=concept_imgs,
        random_imgs=random_imgs
    )
    
    print(f"分类准确率: {accuracy:.3f}")
    print(f"CAV维度: {cav.shape}, 范数: {np.linalg.norm(cav):.3f}")

输出为:

Extracting features: 100%|████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 10/10 [00:00<00:00, 45.63it/s]
Extracting features: 100%|████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 10/10 [00:00<00:00, 48.76it/s]
分类准确率: 1.000
CAV维度: (25088,), 范数: 0.220

四、可视化工具集成

1. Captum库实践

import torch
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from captum.attr import IntegratedGradients, LayerGradCam, visualization as viz
from torchvision import models, transforms
from PIL import Image
import cv2  # 用于调整热力图尺寸

# 1. 加载预训练模型
model = models.resnet50(weights=models.ResNet50_Weights.IMAGENET1K_V1).eval()

# 2. 图像预处理
def preprocess_image(image_path):
    preprocess = transforms.Compose([
        transforms.Resize(256),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], 
                         std=[0.229, 0.224, 0.225]),
    ])
    img = Image.open(image_path).convert('RGB')
    return preprocess(img).unsqueeze(0)  # 添加batch维度

# 3. 可解释性分析函数
def explain_model(image_path, target_class=None):
    # 预处理输入
    input_tensor = preprocess_image(image_path)
    input_tensor.requires_grad = True
    
    # 获取预测类别
    with torch.no_grad():
        output = model(input_tensor)
        pred_class_idx = output.argmax().item() if target_class is None else target_class
    
    # 综合梯度分析
    ig = IntegratedGradients(model)
    ig_attr = ig.attribute(input_tensor, 
                          target=pred_class_idx,
                          n_steps=50,
                          return_convergence_delta=False)
    
    # 分层GradCAM
    target_layer = model.layer4[-1].conv3
    layer_gc = LayerGradCam(model, target_layer)
    gc_attr = layer_gc.attribute(input_tensor, 
                               target=pred_class_idx,
                               relu_attributions=True)
    
    # 转换为适合可视化的格式
    input_img = np.transpose(input_tensor.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1, 2, 0))
    ig_attr = np.transpose(ig_attr.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1, 2, 0))
    
    # 处理Grad-CAM属性
    gc_attr = gc_attr.squeeze().cpu().detach().numpy()
    gc_attr = np.maximum(gc_attr, 0)  # 只保留正激活
    gc_attr = (gc_attr - gc_attr.min()) / (gc_attr.max() - gc_attr.min() + 1e-8)  # 归一化
    
    return input_img, ig_attr, gc_attr, pred_class_idx

# 4. 可视化函数
def visualize_attributions(input_img, ig_attr, gc_attr, class_idx, class_names=None):
    fig, ax = plt.subplots(1, 3, figsize=(18, 6))
    
    # 原始图像
    orig_img = input_img * np.array([0.229, 0.224, 0.225]) + np.array([0.485, 0.456, 0.406])
    orig_img = np.clip(orig_img, 0, 1)
    ax[0].imshow(orig_img)
    
    # 安全获取类别名称
    class_name = "unknown"
    if class_names is not None and class_idx in class_names:
        class_name = class_names[class_idx]
    elif class_names is None:
        class_name = str(class_idx)
    
    ax[0].set_title(f'Original Image\nPredicted: {class_name}')
    ax[0].axis('off')
    
    # 综合梯度
    viz.visualize_image_attr(ig_attr, 
                           orig_img,
                           method='blended_heat_map',
                           sign='absolute_value',
                           show_colorbar=True,
                           title='Integrated Gradients',
                           plt_fig_axis=(fig, ax[1]))
    
    # Grad-CAM 可视化
    # 将7x7的热力图放大到224x224
    heatmap = cv2.resize(gc_attr, (orig_img.shape[1], orig_img.shape[0]))
    heatmap = np.uint8(255 * heatmap)
    heatmap = cv2.applyColorMap(heatmap, cv2.COLORMAP_JET)
    heatmap = cv2.cvtColor(heatmap, cv2.COLOR_BGR2RGB) / 255.0  # 转换为RGB并归一化
    
    # 叠加热力图和原始图像
    superimposed = heatmap * 0.5 + orig_img * 0.5
    ax[2].imshow(superimposed)
    ax[2].set_title('Layer Grad-CAM')
    ax[2].axis('off')
    
    plt.tight_layout()
    plt.savefig('model_explanations.png', bbox_inches='tight', dpi=300)
    plt.show()

# 5. 使用示例
if __name__ == "__main__":
    # 定义猫类别(可选)
    cat_classes = {
        281: "Egyptian_cat",
        282: "tabby_cat",
        283: "tiger_cat",
        284: "Persian_cat",
        285: "Siamese_cat"
    }
    
    # 分析示例图像
    image_path = 'cat.jpeg'  # 替换为你的图像路径
    input_img, ig_attr, gc_attr, pred_class = explain_model(image_path)
    
    # 可视化结果
    visualize_attributions(input_img, ig_attr, gc_attr, pred_class, cat_classes)

输出为:

2. 交互式可视化(PyTorch+Plotly)

import numpy as np
import plotly.express as px
import plotly.graph_objects as go
from torchvision import models, transforms
from PIL import Image


def interactive_heatmap(attr, original_img):
    """
    生成交互式热力图可视化
    参数:
        attr: 归因图 (H,W)或(H,W,1)
        original_img: 原始图像 (H,W,3)
    """
    # 确保attr是2维的
    if attr.ndim == 3:
        attr = attr.squeeze()

    # 创建热力图
    fig = px.imshow(
        attr,
        color_continuous_scale='RdBu',
        range_color=[-np.abs(attr).max(), np.abs(attr).max()],
        zmin=-3,  # 标准化显示范围
        zmax=3,
        title="Interactive Attribution Heatmap"
    )

    # 添加原始图像半透明叠加
    fig.add_trace(
        go.Image(
            z=(original_img * 255).astype(np.uint8),
            opacity=0.5
        )
    )

    # 优化布局
    fig.update_layout(
        width=800,
        height=600,
        coloraxis_showscale=True,
        hovermode='closest',
        xaxis_showgrid=False,
        yaxis_showgrid=False
    )

    # 添加滑块控制透明度
    fig.update_layout(
        sliders=[{
            'steps': [{
                'method': 'restyle',
                'args': ['opacity', [val]],
                'label': f'{val:.1f}'
            } for val in np.arange(0.1, 1.1, 0.1)],
            'active': 4,
            'currentvalue': {'prefix': 'Opacity: '}
        }]
    )

    # 添加热力图/原始图切换按钮
    fig.update_layout(
        updatemenus=[{
            'buttons': [
                {'method': 'update',
                 'args': [{'visible': [True, False]},
                          {'title': 'Heatmap Only'}],
                 'label': 'Heatmap'},
                {'method': 'update',
                 'args': [{'visible': [False, True]},
                          {'title': 'Original Only'}],
                 'label': 'Original'},
                {'method': 'update',
                 'args': [{'visible': [True, True]},
                          {'title': 'Combined View'}],
                 'label': 'Combined'}
            ],
            'direction': 'down',
            'showactive': True,
        }]
    )
    import os
    print(os.getcwd())
    fig.write_html("interactive_heatmap.html")
    fig.show()

    # 使用示例
if __name__ == "__main__":
    # 1. 加载模型和图像
    model = models.resnet50(weights=models.ResNet50_Weights.IMAGENET1K_V1).eval()
    preprocess = transforms.Compose([
        transforms.Resize(256),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],
                             std=[0.229, 0.224, 0.225]),
    ])

    # 2. 加载示例图像
    img_path = 'cat.jpeg'
    img = Image.open(img_path).convert('RGB')
    img_tensor = preprocess(img).unsqueeze(0)

    # 3. 生成归因图 (示例使用随机数据)
    original_img = np.array(img.resize((224, 224))) / 255.0
    attr = np.random.randn(224, 224) * 2  # 模拟归因图

    # 4. 交互式可视化
    interactive_heatmap(attr, original_img)

输出为:


五、多模态解释实践

1. 视觉-语言联合解释

import torch
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
from transformers import ViTImageProcessor, ViTModel
import torch.nn.functional as F
import plotly.graph_objects as go
from plotly.subplots import make_subplots

# 初始化ViT模型和特征提取器
feature_extractor = ViTImageProcessor.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')
vit = ViTModel.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224', output_attentions=True)
patch_size = 16  # ViT-base的默认patch大小


def visualize_attention(img_path, layer_index=-1, head_index=None):
    """
    可视化ViT的注意力图
    参数:
        img_path: 图像路径
        layer_index: 要可视化的层索引(-1表示最后一层)
        head_index: 特定注意力头索引(None表示平均所有头)
    """
    # 1. 图像预处理
    img = Image.open(img_path).convert('RGB')
    inputs = feature_extractor(images=img, return_tensors="pt")

    # 2. 前向传播获取注意力
    with torch.no_grad():
        outputs = vit(**inputs)

    # 3. 处理注意力图
    attentions = outputs.attentions[layer_index]  # 获取指定层的注意力
    if head_index is not None:
        attn = attentions[0, head_index]  # 选择特定头 [1, num_heads, num_patches, num_patches]
    else:
        attn = attentions.mean(dim=1)[0]  # 平均所有头 [1, num_patches, num_patches]

    # 聚焦于CLS token对其他patch的关注 (位置0是CLS token)
    cls_attn = attn[0, 1:]  # 忽略CLS token自身的注意力

    # 4. 重塑并上采样注意力图
    grid_size = int(np.sqrt(cls_attn.shape[-1]))
    cls_attn = cls_attn.reshape(grid_size, grid_size)
    cls_attn = F.interpolate(
        cls_attn[None, None],
        size=img.size[1],  # 假设是正方形图像
        mode='bicubic'
    )[0, 0].numpy()

    # 5. 可视化
    fig = make_subplots(rows=1, cols=2, subplot_titles=("Original Image", "Attention Heatmap"))

    # 原始图像
    fig.add_trace(
        go.Image(z=np.array(img)),
        row=1, col=1
    )

    # 注意力热力图
    fig.add_trace(
        go.Heatmap(
            z=cls_attn,
            colorscale='jet',
            showscale=True,
            opacity=0.7
        ),
        row=1, col=2
    )

    # 叠加图
    fig.add_trace(
        go.Heatmap(
            z=cls_attn,
            colorscale='jet',
            showscale=False,
            opacity=0.5
        ),
        row=1, col=1
    )

    # 布局调整
    fig.update_layout(
        title_text=f"ViT Attention Visualization (Layer {layer_index})",
        height=500,
        width=1000,
        hovermode='closest'
    )

    # 添加滑块选择不同层
    if len(outputs.attentions) > 1:
        steps = []
        for i in range(len(outputs.attentions)):
            steps.append({
                'method': 'update',
                'args': [{'z': [None, process_attn(outputs.attentions[i])]},
                         {'title': f"ViT Attention (Layer {i})"}],
                'label': f'Layer {i}'
            })

        fig.update_layout(
            sliders=[{
                'active': layer_index if layer_index >= 0 else len(outputs.attentions) - 1,
                'steps': steps,
                'currentvalue': {'prefix': 'Selected Layer: '}
            }]
        )

    fig.show()
    return cls_attn


def process_attn(attention, head_index=None):
    """处理注意力矩阵的辅助函数"""
    if head_index is not None:
        attn = attention[0, head_index]
    else:
        attn = attention.mean(dim=1)[0]
    cls_attn = attn[0, 1:]
    grid_size = int(np.sqrt(cls_attn.shape[-1]))
    cls_attn = cls_attn.reshape(grid_size, grid_size)
    cls_attn = F.interpolate(
        cls_attn[None, None],
        size=224,
        mode='bicubic'
    )[0, 0].numpy()
    return cls_attn


# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    # 可视化最后一层的平均注意力
    attention_map = visualize_attention(
        img_path="cat.jpeg",  # 替换为你的图片路径
        layer_index=-1,  # 最后一层
        head_index=None  # 平均所有头
    )

    # 也可以保存注意力图
    plt.imsave("attention_heatmap.png", attention_map, cmap='jet')

六、总结与展望

本文介绍了以下核心技术:

  1. 基础可视化方法:Saliency Map、Grad-CAM
  2. 高级解释技术:特征反演、概念激活分析
  3. 工具链集成:Captum、Plotly交互可视化
  4. 多模态解释:视觉-语言联合注意力机制

在下一篇文章《多模态学习与CLIP模型》中,我们将探索如何联合理解视觉和语言信息。

关键工具推荐

pip install captum torchcam tf-explain

应用建议

  1. 模型调试阶段使用Grad-CAM定位错误原因
  2. 产品部署时集成LIME生成局部解释
  3. 伦理审查时采用TCAV验证公平性

相关推荐

Optional是个好东西,如果用错了就太可惜了

原文出处:https://xie.infoq.cn/article/e3d1f0f4f095397c44812a5be我们都知道,在Java8新增了一个类-Optional,主要是用来解决程...

IDEA建议:不要在字段上使用@Autowire了!

在使用IDEA写Spring相关的项目的时候,在字段上使用@Autowired注解时,总是会有一个波浪线提示:Fieldinjectionisnotrecommended.纳尼?我天天用,咋...

Spring源码|Spring实例Bean的方法

Spring实例Bean的方法,在AbstractAutowireCapableBeanFactory中的protectedBeanWrappercreateBeanInstance(String...

Spring技巧:深入研究Java 14和SpringBoot

在本期文章中,我们将介绍Java14中的新特性及其在构建基于SpringBoot的应用程序中的应用。开始,我们需要使用Java的最新版本,也是最棒的版本,Java14,它现在还没有发布。预计将于2...

Java开发200+个学习知识路线-史上最全(框架篇)

1.Spring框架深入SpringIOC容器:BeanFactory与ApplicationContextBean生命周期:实例化、属性填充、初始化、销毁依赖注入方式:构造器注入、Setter注...

年末将至,Java 开发者必须了解的 15 个Java 顶级开源项目

专注于Java领域优质技术,欢迎关注作者:SnailClimbStar的数量统计于2019-12-29。1.JavaGuideGuide哥大三开始维护的,目前算是纯Java类型项目中Sta...

字节跨平台框架 Lynx 开源:一个 Web 开发者的原生体验

最近各大厂都在开源自己的跨平台框架,前脚腾讯刚宣布计划四月开源基于Kotlin的跨平台框架「Kuikly」,后脚字节跳动旧开源了他们的跨平台框架「Lynx」,如果说Kuikly是一个面向...

我要狠狠的反驳“公司禁止使用Lombok”的观点

经常在其它各个地方在说公司禁止使用Lombok,我一直不明白为什么不让用,今天看到一篇文章列举了一下“缺点”,这里我只想狠狠地反驳,看到列举的理由我竟无言以对。原文如下:下面,结合我自己使用Lomb...

SpringBoot Lombok使用详解:从入门到精通(注解最全)

一、Lombok概述与基础使用1.1Lombok是什么Lombok是一个Java库,它通过注解的方式自动生成Java代码(如getter、setter、toString等),从而减少样板代码的编写,...

Java 8之后的那些新特性(六):记录类 Record Class

Java是一门面向对象的语言,而对于面向对象的语言中,一个众所周知的概念就是,对象是包含属性与行为的。比如HR系统中都会有雇员的概念,那雇员会有姓名,ID身份,性别等,这些我们称之为属性;而雇员同时肯...

为什么大厂要求安卓开发者掌握Kotlin和Jetpack?优雅草卓伊凡

为什么大厂要求安卓开发者掌握Kotlin和Jetpack?深度解析现代Android开发生态优雅草卓伊凡一、Kotlin:Android开发的现代语言选择1.1Kotlin是什么?Kotlin是由...

Kotlin这5招太绝了!码农秒变优雅艺术家!

Kotlin因其简洁性、空安全性和与Java的无缝互操作性而备受喜爱。虽然许多开发者熟悉协程、扩展函数和数据类等特性,但还有一些鲜为人知的特性可以让你的代码从仅仅能用变得真正优雅且异常简洁。让我们来看...

自行部署一款免费高颜值的IT资产管理系统-咖啡壶chemex

在运维时,ICT资产太多怎么办,还是用excel表格来管理?效率太低,也不好多人使用。在几个IT资产管理系统中选择比较中,最终在Snipe-IT和chemex间选择了chemex咖啡壶。Snip...

PHP对接百度语音识别技术(php对接百度语音识别技术实验报告)

引言在目前的各种应用场景中,语音识别技术已经越来越常用,并且其应用场景正在不断扩大。百度提供的语音识别服务允许用户通过简单的接口调用,将语音内容转换为文本。本文将通过PHP语言集成百度的语音识别服务,...

知识付费系统功能全解析(知识付费项目怎么样)

开发知识付费系统需包含核心功能模块,确保内容变现、用户体验及运营管理需求。以下是完整功能架构:一、用户端功能注册登录:手机号/邮箱注册,第三方登录(微信、QQ)内容浏览:分类展示课程、文章、音频等付费...