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类别激活图（CAM）可视化

类别激活图可视化工具介绍

MMPretrain 提供 tools/visualization/vis_cam.py 工具来可视化类别激活图。请使用 pip install "grad-cam>=1.3.6" 安装依赖的 pytorch-grad-cam。

目前支持的方法有：

Method	What it does
GradCAM	使用平均梯度对 2D 激活进行加权
GradCAM++	类似 GradCAM，但使用了二阶梯度
XGradCAM	类似 GradCAM，但通过归一化的激活对梯度进行了加权
EigenCAM	使用 2D 激活的第一主成分（无法区分类别，但效果似乎不错）
EigenGradCAM	类似 EigenCAM，但支持类别区分，使用了激活 * 梯度的第一主成分，看起来和 GradCAM 差不多，但是更干净
LayerCAM	使用正梯度对激活进行空间加权，对于浅层有更好的效果

命令行：

python tools/visualization/vis_cam.py \
    ${IMG} \
    ${CONFIG_FILE} \
    ${CHECKPOINT} \
    [--target-layers ${TARGET-LAYERS}] \
    [--preview-model] \
    [--method ${METHOD}] \
    [--target-category ${TARGET-CATEGORY}] \
    [--save-path ${SAVE_PATH}] \
    [--vit-like] \
    [--num-extra-tokens ${NUM-EXTRA-TOKENS}]
    [--aug_smooth] \
    [--eigen_smooth] \
    [--device ${DEVICE}] \
    [--cfg-options ${CFG-OPTIONS}]

所有参数的说明：

• img：目标图片路径。
• config：模型配置文件的路径。
• checkpoint：权重路径。
• --target-layers：所查看的网络层名称，可输入一个或者多个网络层, 如果不设置，将使用最后一个block中的norm层。
• --preview-model：是否查看模型所有网络层。
• --method：类别激活图图可视化的方法，目前支持 GradCAM, GradCAM++, XGradCAM, EigenCAM, EigenGradCAM, LayerCAM，不区分大小写。如果不设置，默认为 GradCAM。
• --target-category：查看的目标类别，如果不设置，使用模型检测出来的类别做为目标类别。
• --save-path：保存的可视化图片的路径，默认不保存。
• --eigen-smooth：是否使用主成分降低噪音，默认不开启。
• --vit-like: 是否为 ViT 类似的 Transformer-based 网络
• --num-extra-tokens: ViT 类网络的额外的 tokens 通道数，默认使用主干网络的 num_extra_tokens。
• --aug-smooth：是否使用测试时增强
• --device：使用的计算设备，如果不设置，默认为'cpu'。
• --cfg-options：对配置文件的修改，参考学习配置文件。

在指定 `--target-layers` 时，如果不知道模型有哪些网络层，可使用命令行添加 `--preview-model` 查看所有网络层名称；

如何可视化 CNN 网络的类别激活图（如 ResNet-50）

--target-layers 在 Resnet-50 中的一些示例如下:

• 'backbone.layer4'，表示第四个 ResLayer 层的输出。
• 'backbone.layer4.2' 表示第四个 ResLayer 层中第三个 BottleNeck 块的输出。
• 'backbone.layer4.2.conv1' 表示上述 BottleNeck 块中 conv1 层的输出。

对于 `ModuleList` 或者 `Sequential` 类型的网络层，可以直接使用索引的方式指定子模块。比如 `backbone.layer4[-1]` 和 `backbone.layer4.2` 是相同的，因为 `layer4` 是一个拥有三个子模块的 `Sequential`。

1. 使用不同方法可视化 ResNet50，默认 target-category 为模型检测的结果，使用默认推导的 target-layers。

   python tools/visualization/vis_cam.py \
       demo/bird.JPEG \
       configs/resnet/resnet50_8xb32_in1k.py \
       https://download.openmmlab.com/mmclassification/v0/resnet/resnet50_batch256_imagenet_20200708-cfb998bf.pth \
       --method GradCAM
       # GradCAM++, XGradCAM, EigenCAM, EigenGradCAM, LayerCAM
   

   Image	GradCAM	GradCAM++	EigenGradCAM	LayerCAM

2. 同一张图不同类别的激活图效果图，在 ImageNet 数据集中，类别238为 'Greater Swiss Mountain dog'，类别281为 'tabby, tabby cat'。

   python tools/visualization/vis_cam.py \
       demo/cat-dog.png configs/resnet/resnet50_8xb32_in1k.py \
       https://download.openmmlab.com/mmclassification/v0/resnet/resnet50_batch256_imagenet_20200708-cfb998bf.pth \
       --target-layers 'backbone.layer4.2' \
       --method GradCAM \
       --target-category 238
       # --target-category 281
   

   Category	Image	GradCAM	XGradCAM	LayerCAM
   Dog
   Cat

3. 使用 --eigen-smooth 以及 --aug-smooth 获取更好的可视化效果。

   python tools/visualization/vis_cam.py \
       demo/dog.jpg  \
       configs/mobilenet_v3/mobilenet-v3-large_8xb128_in1k.py \
       https://download.openmmlab.com/mmclassification/v0/mobilenet_v3/convert/mobilenet_v3_large-3ea3c186.pth \
       --target-layers 'backbone.layer16' \
       --method LayerCAM \
       --eigen-smooth --aug-smooth
   

   Image	LayerCAM	eigen-smooth	aug-smooth	eigen&aug

如何可视化 Transformer 类型网络的类别激活图

--target-layers 在 Transformer-based 网络中的一些示例如下:

• Swin-Transformer 中：'backbone.norm3'
• ViT 中：'backbone.layers[-1].ln1'

对于 Transformer-based 的网络，比如 ViT、T2T-ViT 和 Swin-Transformer，特征是被展平的。为了绘制 CAM 图，我们需要指定 --vit-like 选项，从而让被展平的特征恢复方形的特征图。

除了特征被展平之外，一些类 ViT 的网络还会添加额外的 tokens。比如 ViT 和 T2T-ViT 中添加了分类 token，DeiT 中还添加了蒸馏 token。在这些网络中，分类计算在最后一个注意力模块之后就已经完成了，分类得分也只和这些额外的 tokens 有关，与特征图无关，也就是说，分类得分对这些特征图的导数为 0。因此，我们不能使用最后一个注意力模块的输出作为 CAM 绘制的目标层。

另外，为了去除这些额外的 toekns 以获得特征图，我们需要知道这些额外 tokens 的数量。MMPretrain 中几乎所有 Transformer-based 的网络都拥有 num_extra_tokens 属性。而如果你希望将此工具应用于新的，或者第三方的网络，而且该网络没有指定 num_extra_tokens 属性，那么可以使用 --num-extra-tokens 参数手动指定其数量。

1. 对 Swin Transformer 使用默认 target-layers 进行 CAM 可视化：

   python tools/visualization/vis_cam.py \
       demo/bird.JPEG  \
       configs/swin_transformer/swin-tiny_16xb64_in1k.py \
       https://download.openmmlab.com/mmclassification/v0/swin-transformer/swin_tiny_224_b16x64_300e_imagenet_20210616_090925-66df6be6.pth \
       --vit-like
   

2. 对 Vision Transformer(ViT) 进行 CAM 可视化：

   python tools/visualization/vis_cam.py \
       demo/bird.JPEG  \
       configs/vision_transformer/vit-base-p16_ft-64xb64_in1k-384.py \
       https://download.openmmlab.com/mmclassification/v0/vit/finetune/vit-base-p16_in21k-pre-3rdparty_ft-64xb64_in1k-384_20210928-98e8652b.pth \
       --vit-like \
       --target-layers 'backbone.layers[-1].ln1'
   

3. 对 T2T-ViT 进行 CAM 可视化：

   python tools/visualization/vis_cam.py \
       demo/bird.JPEG  \
       configs/t2t_vit/t2t-vit-t-14_8xb64_in1k.py \
       https://download.openmmlab.com/mmclassification/v0/t2t-vit/t2t-vit-t-14_3rdparty_8xb64_in1k_20210928-b7c09b62.pth \
       --vit-like \
       --target-layers 'backbone.encoder[-1].ln1'
   

Image	ResNet50	ViT	Swin	T2T-ViT