『cs231n』卷积神经网络的可视化与进一步理解

cs231n的第18课理解起来很吃力，听后又查了一些资料才算是勉强弄懂，所以这里贴一篇博文（根据自己理解有所修改）和原论文的翻译加深加深理解，其中原论文翻译比博文更容易理解，但是太长，而博文是业者而非学者所著，看着也更舒服一点。

另，本文涉及了反向传播的backpropagation算法，知乎上有个回答很不错，备份到文章里了，为支持原作者，这里给出知乎原文连接

可视化理解卷积神经网络

这张PPT是本节课的核心，下面我来说说这张图。

可视化神经网络的思想就是构建一个逆向的卷积神经网络，但是不包括训练过程，使用原网络各个层的feature map当作输入，逆向生成像素级图片（各个层对应的具体逆操作实现方法下面的文献中有介绍），目的是研究每一层中每一个神经元对应的（或者说学习到的）特征到底是什么样的。

我们首先获取某一层的feature map,然后将除了想要研究的那个神经元之外所有神经元置零，作为返卷积网络的输入（a图所示），经过逆向重构后，得到的图片就反映了这个神经元学习到的特征。

Relu层的逆处理得到了特殊关注，向前传播中，小于零的神经元直接置零（b1），如果按照计算梯度的反向传播算法（backpropagation）的话那么应该在向前传播时置零的位置仍然置零（b2），而原论文按照deconvent的方法，相当于把Relu对称化，直接对反向的特征图进行了标准的Relu，即小于零的神经元反向时也置零（b3），但是老师则采用了guided backpropagation结合了两种方法，即满足上两条的全都置零（b4），子图c用表达式解释了这一过程。

根据Feature Map寻找最优输入

例如一个1000分类网络，我想看看对于已经训练好的模型，我希望输出是[0,0,...,1,...0]，什么样的图片会最适合这个输出？

思路是feed一张全0图片，设定为可训练的变量（我按照自己对tensorflow的理解自行解释的233），而其他参数均不可训练，然后设定一个如上图的loss函数，去迭代优化它，比如下面(2,1)图尝试在整张图片上画满鹅来提高分数（包括deep dreaming技术在内，我觉得大部分让神经网络自己画图的东西结果都挺反人类的）：

不过仔细想想也不是很新奇，这个东西实际上和自编码器是一个道理，都是提取特征后使用特征反推图像的技术，不过自编码器目的是原始图像，这个更随意一点，就是反推某个特征值的可视化表达。

下面是根据全层神经元反推的结果，这直观的表达了随着卷积网络的推演丢失了多少细节信息：

附件1：可视化理解卷积神经网络

原文地址

一、相关理论

本篇博文主要讲解2014年ECCV上的一篇经典文献：《Visualizing and Understanding Convolutional Networks》，可以说是CNN领域可视化理解的开山之作，这篇文献告诉我们CNN的每一层到底学习到了什么特征，然后作者通过可视化进行调整网络，提高了精度。最近两年深层的卷积神经网络，进展非常惊人，在计算机视觉方面，识别精度不断的突破，CVPR上的关于CNN的文献一大堆。然而很多学者都不明白，为什么通过某种调参、改动网络结构等，精度会提高。可能某一天，我们搞CNN某个项目任务的时候，你调整了某个参数，结果精度飙升，但如果别人问你，为什么这样调参精度会飙升呢，你所设计的CNN到底学习到了什么特征？

这篇文献的目的，就是要通过特征可视化，告诉我们如何通过可视化的角度，查看你的精度确实提高了，你设计CNN学习到的特征确实比较牛逼。这篇文献是经典必读文献，才发表了一年多，引用次数就已经达到了好几百，学习这篇文献，对于我们今后深入理解CNN，具有非常重要的意义。总之这篇文章，牛逼哄哄。

二、利用反卷积实现特征可视化

为了解释卷积神经网络为什么work，我们就需要解释CNN的每一层学习到了什么东西。为了理解网络中间的每一层，提取到特征，paper通过反卷积的方法，进行可视化。反卷积网络可以看成是卷积网络的逆过程。反卷积网络在文献《Adaptive deconvolutional networks for mid and high level feature learning》中被提出，是用于无监督学习的。然而本文的反卷积过程并不具备学习的能力，仅仅是用于可视化一个已经训练好的卷积网络模型，没有学习训练的过程。

反卷积可视化以各层得到的特征图作为输入，进行反卷积，得到反卷积结果，用以验证显示各层提取到的特征图。举个例子：假如你想要查看Alexnet 的conv5提取到了什么东西，我们就用conv5的特征图后面接一个反卷积网络，然后通过：反池化、反激活、反卷积，这样的一个过程，把本来一张13*13大小的特征图(conv5大小为13*13)，放大回去，最后得到一张与原始输入图片一样大小的图片(227*227)。

1、反池化过程

我们知道，池化是不可逆的过程，然而我们可以通过记录池化过程中，最大激活值得坐标位置。然后在反池化的时候，只把池化过程中最大激活值所在的位置坐标的值激活，其它的值置为0，当然这个过程只是一种近似，因为我们在池化的过程中，除了最大值所在的位置，其它的值也是不为0的。刚好最近几天看到文献：《Stacked What-Where Auto-encoders》，里面有个反卷积示意图画的比较好，所有就截下图，用这篇文献的示意图进行讲解：

以上面的图片为例，上面的图片中左边表示pooling过程，右边表示unpooling过程。假设我们pooling块的大小是3*3，采用max pooling后，我们可以得到一个输出神经元其激活值为9，pooling是一个下采样的过程，本来是3*3大小，经过pooling后，就变成了1*1大小的图片了。而upooling刚好与pooling过程相反，它是一个上采样的过程，是pooling的一个反向运算，当我们由一个神经元要扩展到3*3个神经元的时候，我们需要借助于pooling过程中，记录下最大值所在的位置坐标(0,1)，然后在unpooling过程的时候，就把(0,1)这个像素点的位置填上去，其它的神经元激活值全部为0。再来一个例子：

在max pooling的时候，我们不仅要得到最大值，同时还要记录下最大值得坐标（-1，-1），然后再unpooling的时候，就直接把(-1-1)这个点的值填上去，其它的激活值全部为0。

2、反激活

我们在Alexnet中，relu函数是用于保证每层输出的激活值都是正数，因此对于反向过程，我们同样需要保证每层的特征图为正值，也就是说这个反激活过程和激活过程没有什么差别，都是直接采用relu函数。

3、反卷积

对于反卷积过程，采用卷积过程转置后的滤波器(参数一样，只不过把参数矩阵水平和垂直方向翻转了一下)，这一点我现在也不是很明白，估计要采用数学的相关理论进行证明。

最后可视化网络结构如下：

网络的整个过程，从右边开始：输入图片-》卷积-》Relu-》最大池化-》得到结果特征图-》反池化-》Relu-》反卷积。到了这边，可以说我们的算法已经学习完毕了，其它部分是文献要解释理解CNN部分，可学可不学。

总的来说算法主要有两个关键点：1、反池化 2、反卷积，这两个源码的实现方法，需要好好理解。

三、理解可视化

特征可视化：一旦我们的网络训练完毕了，我们就可以进行可视化，查看学习到了什么东西。但是要怎么看？怎么理解，又是一回事了。我们利用上面的反卷积网络，对每一层的特征图进行查看。

1、特征可视化结果：

总的来说，通过CNN学习后，我们学习到的特征，是具有辨别性的特征，比如要我们区分人脸和狗头，那么通过CNN学习后，背景部位的激活度基本很少，我们通过可视化就可以看到我们提取到的特征忽视了背景，而是把关键的信息给提取出来了。从layer 1、layer 2学习到的特征基本上是颜色、边缘等低层特征；layer 3则开始稍微变得复杂，学习到的是纹理特征，比如上面的一些网格纹理；layer 4学习到的则是比较有区别性的特征，比如狗头；layer 5学习到的则是完整的，具有辨别性关键特征。

2、特征学习的过程。作者给我们显示了，在网络训练过程中，每一层学习到的特征是怎么变化的，上面每一整张图片是网络的某一层特征图，然后每一行有8个小图片，分别表示网络epochs次数为：1、2、5、10、20、30、40、64的特征图：

结果：(1)仔细看每一层，在迭代的过程中的变化，出现了sudden jumps;(2)从层与层之间做比较，我们可以看到，低层在训练的过程中基本没啥变化，比较容易收敛，高层的特征学习则变化很大。这解释了低层网络的从训练开始，基本上没有太大的变化，因为梯度弥散嘛。(3)从高层网络conv5的变化过程，我们可以看到，刚开始几次的迭代，基本变化不是很大，但是到了40~50的迭代的时候，变化很大，因此我们以后在训练网络的时候，不要着急看结果，看结果需要保证网络收敛。

3、图像变换。从文献中的图片5可视化结果，我们可以看到对于一张经过缩放、平移等操作的图片来说：对网络的第一层影响比较大，到了后面几层，基本上这些变换提取到的特征没什么比较大的变化。

个人总结：我个人感觉学习这篇文献的算法，不在于可视化，而在于学习反卷积网络，如果懂得了反卷积网络，那么在以后的文献中，你会经常遇到这个算法。大部分CNN结构中，如果网络的输出是一整张图片的话，那么就需要使用到反卷积网络，比如图片语义分割、图片去模糊、可视化、图片无监督学习、图片深度估计，像这种网络的输出是一整张图片的任务，很多都有相关的文献，而且都是利用了反卷积网络，取得了牛逼哄哄的结果。所以我觉得我学习这篇文献，更大的意义在于学习反卷积网络。

参考文献：

1、《Visualizing and Understanding Convolutional Networks》

2、《Adaptive deconvolutional networks for mid and high level feature learning》

3、《Stacked What-Where Auto-encoders》