论文笔记：Visualizing and Understanding Convolutional Networks

2014 ECCV
纽约大学 Matthew D. Zeiler, Rob Fergus

简单介绍（What）

1. 提出了一种可视化的技巧，能够看到CNN中间层的特征功能和分类操作。
2. 通过对这些可视化信息进行分析，我们可以
   • 直观了解和分析CNN学到的特征（中间层特征对应什么样的图像）
   • 可以找到提升模型的办法（观察中间层特征，分析模型可以改进的地方）
   • 分析CNN的遮掩敏感性（遮住某一块区域后对分类结果的影响）
3. 这种可视化技巧主要用到反卷积的技术，把中间层的激活特征映射回输入空间。

论文动机（Why）

1. 虽然CNN在图像任务上取得了优秀的表现，但是看不到CNN的内部操作和复杂模型的表现行为，不清楚它们为何会取得这么好的效果。
2. 在科学的角度上，这是不能接收的，没有清晰地理解CNN是如何工作以及为什么这样运作，那么它的发展和进步就只能靠不断地“试错”。
3. 所以论文提出了可视化的技巧，可以观察到训练过程中特征的演化和影响，可以分析模型潜在的问题。

怎么做的（How）

1. 论文的网络结构和alexNet很类似，做了一些改动，比如stride变成2，11x11的卷积核变成7x7的卷积核。
2. 为了把中间层的激活块映射回输入空间，使用了反卷积的技术，如下图所示，右边是卷积网，左边是反卷积网。
3. 反池化：由于池化操作不可逆，使用了一个近似可逆的方法，用Switches记录每个池化块最大值的位置，如下图所示，这样就可以利用Switches和池化后的特征图，反池化成Unpooled Maps
4. relu：反池化后，为了获得有效的特征重建，也使用relu，得到Rectified Unpooled Maps
5. 反卷积：用原来卷积核的转置版本，进行卷积操作，得到重建的Reconstruction
   

特征可视化

1. 下图是对ImageNet训练完成后，在验证集数据进行反卷积得到的各层的可视化结果。
2. 对于某个给定的feature map，在数据集上选取激活值最强的9张图，画成一个九宫格。把它们映射回输入空间后可以看到不同结构的重建特征图（灰色的那些图），以及这些特征图对应图像块（那些彩色图）。
3. 可以看到彩色图的变化比灰色图更大，因为灰色图是集中于给出那些具有区分性的信息。
4. 可以看到每一层似乎在学习不同的东西，第二层学习边缘，角落信息；第三层学到了一些比较复杂的模式，网状，轮胎；第四层展示了一些比较明显的变化，但是与类别更加相关了，比如狗脸，鸟腿；第五层则看到了整个物体，比如键盘，狗。
   

训练过程的特征演化

1. 下图是随着训练的迭代，特征图的变化，每一层里面的8列表示不同epoch时的特征图。
2. 列出的特征图是，对于该层的某个feature map，在所有训练集中激活最强的那个样本的feature map。
3. 可以看到，低层的特征图收敛地比较快，而高层的特征图要到后面的epoch才开始变动。
   

帮助提升模型

1. 通过可视化可以看到alexNet模型中第一层和第二层（下图中的b和d）存在一些问题，比如第二层有一些重叠和混乱
2. 通过把第一层的11x11卷积核变成7x7，然后stride从4变成2，得到的结果如图c和e所示，得到了更多的独特的特征。
3. 这样的改动也提升了模型的效果。
   

遮挡敏感性

1. 如下图所示，以第一张小狗图为例，b图表示第5层激活最强的feature map，每个位置的颜色表示那个位置被遮挡后的激活，可以看到遮住狗脸后，激活值最低，也就是蓝色那块区域，说明遮挡对模型有影响。
2. c图表示被遮住不同区域后，第5层激活最强的feature map，第一个图表示遮住狗脸后的。
3. d图中每个位置的颜色表示那个位置被遮挡后，正确类别的概率。可以看到遮住狗脸后，概率很低，蓝色那一块，说明遮挡对模型有影响。
4. e图中每个位置的颜色表示那个位置被遮挡后，最可能的标签，可以看到如果遮挡其它区域，模型都能识别出为博美犬，但是如果遮住了狗脸，而不遮住球，模型就会将样本分类为球。
5. 这展示了模型的遮挡敏感性，模型确实学到了物体的位置，而不是说只学到物体的环境上下文。
   

实验

1. 基于可视化后对AlexNet模型进行了修改，提升了表现，说明可以通过可视化的技巧分析和改善模型。
2. 对模型（alextNet以及自己修改后的模型）进行删除层，修改层神经元大小，对比实验结果，观察变化。
3. 把ImageNet训练好的模型用于Caltech-101，Caltech-256和PASCAL 2012数据集的训练，发现ImageNet预训练过的模型表现要（比没预训练过的）好很多，而且击败了一些前人的工作，说明了CNN提取的特征的泛化能力，以及ImageNet特征的强大。
4. 通过逐渐提升（预训练模型中保留的）层数（比如1层，2层，3层升到7层），把这些特征送到SVM和softmax中去分类，得到的结果对比，发现层数越深，学到的特征越有用。

总结

1. 提出了一种可视化CNN的方法，说明了内部特征并不是随机的，是可以解释的。
2. 通过可视化CNN了解到了一些直觉上的特性，比如随着增加层数，类别的可区分度越高，特征越有用。
3. 通过可视化CNN可以对模型进行分析和改善。
4. 通过可视化CNN的遮蔽实验，发现模型对局部结构是敏感的，并不是只用到了广阔的场景信息。
5. 展示了ImageNet的预训练模型可以很好地泛化到其它数据集。