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[人工智能]窥探神经网络:Deep Dream

Deep Dream : 窥探神经网络模型的内部

????????通常我们通过使用大量的标记数据训练神经网络模型,以图像识别模型为例,模型通常由多个卷积层堆叠而成,中间还有一些池化和激活的操作,每一个图像从输入层到输出层,要经过很多层的“处理”。一个训练好的模型,会逐层提取图像中特征,最终的高级特征可以判断出图像属于哪一个类别。尽管模型表现良好,但是我们并不了解,模型到底从数据中学到了什么,或者图像中的哪些模式被模型检测到了,并导致了最终得到正确的分类。又或者模型是否是通过正确的模式实现正确的分类等等。总之通过窥探模型的内部可以帮助我们更好得理解、分析模型。

????????Deep Dream可以帮助我们通过可视化来观察神经网络学习到的内部模式。向网络输入任意的图像,然后选择某一层的输出(激活)计算其梯度,通过梯度信息修改图像增强网络模型检测到的任何东西,进而放大模式。网络的每一层都处理不同抽象级别的特征,因此最终的可视化结果取决于我们选择增强哪一层。例如,较低的层倾向于产生笔画或简单的装饰状图案,因为这些层对基本特征,如边缘及其方向很敏感 。如果我们选择更深层次的层,来识别图像中更复杂的特征,复杂的特征甚至整个物体往往会出现。

InceptionV3

以InceptionV3模型为例,可视化模型的检测结果。

import numpy as np
import tensorflow as tf
from tqdm.notebook import tqdm_notebook
from tensorflow.keras import Model
from tensorflow.keras.preprocessing.image import load_img, img_to_array
from tensorflow.keras.applications.inception_v3 import InceptionV3, preprocess_input
加载模型
inception = InceptionV3(weights="F:/Keras_Model_Weights/weights/inception_v3_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5",
               include_top=False)
inception.summary()
Model: "inception_v3"
__________________________________________________________________________________________________
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
==================================================================================================
input_6 (InputLayer)            [(None, None, None,  0                                            
__________________________________________________________________________________________________
conv2d_203 (Conv2D)             (None, None, None, 3 864         input_6[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
batch_normalization_203 (BatchN (None, None, None, 3 96          conv2d_203[0][0]                 
__________________________________________________________________________________________________
省略..........................................................................
    __________________________________________________________________________________________________
mixed9_1 (Concatenate)          (None, None, None, 7 0           activation_290[0][0]             
                                                                 activation_291[0][0]             
__________________________________________________________________________________________________
concatenate_1 (Concatenate)     (None, None, None, 7 0           activation_294[0][0]             
                                                                 activation_295[0][0]             
__________________________________________________________________________________________________
activation_296 (Activation)     (None, None, None, 1 0           batch_normalization_296[0][0]    
__________________________________________________________________________________________________
mixed10 (Concatenate)           (None, None, None, 2 0           activation_288[0][0]             
                                                                 mixed9_1[0][0]                   
                                                                 concatenate_1[0][0]              
                                                                 activation_296[0][0]             
==================================================================================================
Total params: 21,802,784
Trainable params: 21,768,352
Non-trainable params: 34,432
__________________________________________________________________________________________________

Deep Dream

  1. __init__: 初始化图像的缩放系数、指定输出层
  2. _calculate_loss: 计算loss(激活输出均值)
  3. _gradient_ascent: 计算梯度、修改图像,循环多次放大增强
  4. _deprecess: 输出结果后处理
  5. dream: 对增强后的图像,进行多尺度缩放,循环增强

为什么要在多个尺度上对图像进行连续梯度增强?

答:在相同的尺度上应用梯度上升会使结果看起来有噪声,而且分辨率很低。为了解决这些问题,主要的方法dream()在不同的尺度(称为八度)上应用梯度上升,其中前一个小尺度输出是在更高尺度上的输入。

class DeepDreamer:
    def __init__(self,
                 model = None,
                 octave_scale = 1.3,
                 octave_power_factors = [-2, -1, 0, 1, 2],
                 layers = ['mixed3', 'mixed5']):
        self.octave_scale = octave_scale
        self.octave_power_factors = octave_power_factors
        self.layers = layers
        self.base_model = model
        outputs = [self.base_model.get_layer(name).output for name in self.layers]
        self.dreamer_model = Model(self.base_model.input, outputs)
        
    def _calculate_loss(self, image):
        image_tensor = tf.expand_dims(image, axis=0)
        activation = self.dreamer_model(image_tensor)
        loss = tf.math.reduce_mean(activation)          
        return loss
    
    @tf.function(experimental_relax_shapes=True)
    def _gradient_ascent(self, image, steps, step_size):
        loss = tf.constant(0.0)
        for _ in range(steps):
            with tf.GradientTape() as tape:
                tape.watch(image)
                loss = self._calculate_loss(image)
            gradients = tape.gradient(loss, image)
            gradients /= tf.math.reduce_std(gradients) + 1e-8
            image = image + gradients * step_size
            image = tf.clip_by_value(image, -1, 1)
        return loss, image
    
    def _deprocess(self, image):
        image = 255 * (image + 1.0) / 2.0
        image = tf.cast(image, tf.uint8)
        image = np.array(image)
        return image
    
    def _dream(self, image, steps, step_size):
        image = preprocess_input(image)
        image = tf.convert_to_tensor(image)
        step_size = tf.convert_to_tensor(step_size)
        step_size = tf.constant(step_size)
        steps = tf.constant(steps)
        loss, image = self._gradient_ascent(image, steps, step_size)
        result = self._deprocess(image)
        return result
        
    def dream(self, image, steps=100, step_size=0.01):
        image = tf.constant(np.array(image))
        base_shape = tf.shape(image)[:-1]
        base_shape = tf.cast(base_shape, tf.float32)
        for factor in tqdm_notebook(self.octave_power_factors):
            new_shape = tf.cast(base_shape * (self.octave_scale ** factor), tf.int32)
            image = tf.image.resize(image, new_shape).numpy()
            image = self._dream(image, steps, step_size)
        base_shape = tf.cast(base_shape, tf.int32)
        image = tf.image.resize(image, base_shape)
        image = tf.image.convert_image_dtype(image/255.0, dtype=tf.uint8)
        image = np.array(image)
        return image
加载测试图像
import matplotlib.pyplot as plt
original_image = load_img('../images/p2277197426.png')

original_image = img_to_array(original_image)

plt.imshow(original_image/255.)

在这里插入图片描述

deepdream = DeepDreamer(model=inception, layers=['mixed3','mixed5','mixed7'], octave_power_factors=[-2, -1, 0,  2]) 
dream_image = deepdream.dream(original_image, steps=100, step_size=0.025)
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.imshow(dream_image)

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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