Grad-CAMで転移学習したResNet101の中身を可視化する(Pytorch実装）

業務で医療画像を分類していた際に、NNWの中身を分析する機会があり、
Grad-CAM を　Pytorch で実装したため紹介する。意外とPytorchの実装が出回っていなかったため（Kerasが多い）



# TL;DR
流れ
(0) Grad-CAN とは何か
(1) ResNet101で転移学習
(2) Grad-CAMで可視化するためにNNWの改造
(3) 実際に可視化

なお(1)についてはこの記事の趣旨とは違うため、
そこまで丁寧には解説しない。
Githubにコミットしたソースコードはこちら。（こちらの説明のほうがわかりやすいかも)
https://github.com/Light-dev-mac/Grad-CAM/blob/master/Grad_CAM.ipynb
注意として転移学習として

# 環境

.Google Colabで実装

.フレームワークはPytorch

一応ResNet101の構造は前提知識としてもっておいてほしい。

>機械学習論文読み：Deep Residual Learning for Image Recognition
https://qiita.com/ikeyasu/items/ea9ced2b8e0fcb3da2be


# (0) Grad-CAN とは何か

理論の説明は以下の記事を参考にするとよい。
一言で行ってしまえは、勾配が大きく変化する場所に着目することで
クラス分類に大きな影響を与えている箇所を特定するという理論だ。

>日本一詳しくGrad-CAMとGuided Grad-CAMのソースコードを解説してみる(Keras実装)
 https://qiita.com/kinziro/items/69f996065b4a658c42e8


メリットはやはり特別にCAMのようにFeed Back用のネットワークで学習しなくてもよいことだと思う。
したがって学習とは切り離して考えることができる。


# (1) ResNet101で転移学習

今回学習に用いたデータセットはKaggleのもので
Kaggleからデータセットをダウンロードする必要がある。


>Cats and Dogs dataset to train a DL model
https://www.kaggle.com/tongpython/cat-and-dog

ちなみにGoogle Colaboratoryに直接ダウンロードする場合は以下を参照

>Google Colab上でKaggleのデータをロード、モデル訓練、提出の全てを行う
https://qiita.com/katsu1110/items/a8d508a1b6f07bd3a243




```python:自作データセットとデータローダの定義
class MyDataset(torch.utils.data.Dataset):
    
    def __init__(self, path='training_set/training_set/', transform=False):
        self.path = path
        self.dog_path = glob.glob(os.path.join(self.path, "dogs") + '/*.jpg')
        self.cat_path = glob.glob(os.path.join(self.path, "cats") + '/*.jpg')
        self.path_list = self.dog_path + self.cat_path
        self.transform = transform
        self.is_test = False
        self.label = {"dogs":0, "cats":1}
    def __len__(self):
        return len(self.path_list)
    def __getitem__(self, idx):
        img = Image.open(self.path_list[idx])
        if self.transform:
            img = self.transform(img)
        
        return img, self.label[os.path.basename(os.path.dirname(self.path_list[idx]))]


transform = transforms.Compose([transforms.RandomResizedCrop((256, 256), scale=(1, 1), ratio=(1 ,1)), transforms.ToTensor()])
train_dataset = MyDataset(transform=transform)
test_dataset = MyDataset(path="test_set/test_set/", transform= transform)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=60, num_workers=1, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=60, num_workers=1, shuffle=False)

#今回はクラスバランスは調整していない。
```

```python:モデルの定義
model_ft = models.resnet101(pretrained=True)
model_fc_in_feature = model_ft.fc.in_features
model_ft.fc = nn.Linear(model_fc_in_feature, 2)
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = model_ft.to(device)
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)
lr_scheduler = ReduceLROnPlateau(optimizer)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
```

```python:学習用の関数
def train(epoch):
    total_loss = 0
    total_size = 0
    correct = 0
    model.train()
    for idx, (img, target) in enumerate(tqdm(train_loader, position=0)):
        img, target = img.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(img)
        loss = criterion(output, target)
        total_loss += loss.item()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True)
        correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()
    print(f"Epoch:[{epoch}] Avg_Loss:[{total_loss/len(train_dataset)}] Avg Acc : [{correct/len(train_dataset)}]")
```

```python:テスト用の関数
def test(epoch):
  model.eval()
  test_loss = 0
  correct = 0
  for idx, (img, target) in enumerate(tqdm(test_loader, position=0)):
    with torch.no_grad():
      img, target = img.to(device), target.to(device)
      output = model(img)
      test_loss += criterion(output, target).item()
      pred = output.argmax(dim=1, keepdim=True)
      correct += pred.eq(target.view_as(pred)).sum().item()
  print(f"Epoch:[{epoch}]  val_loss:[{test_loss}] val_acc: [{correct/len(test_dataset)}]")

  return test_loss
```

```python:実行
if __name__ == __main___:
  for i in range(1, 11):
     train(i)
     loss = test(i)
     lr_scheduler.step(loss)

```

エポック数そんなに回さなくても精度でたので終了。



# (2) Grad-CAMで可視化するためにNNWの改造
まずmodelの中身を表示してみる

```python:モデルの中身
print(model)
### 以下出力 ####
ResNet(
  (conv1): Conv2d(3, 64, kernel_size=(7, 7), stride=(2, 2), padding=(3, 3), bias=False)
  (bn1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
  (relu): ReLU(inplace=True)
  (maxpool): MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1, dilation=1, ceil_mode=False)
  (layer1): Sequential(
    (0): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(64, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
      (downsample): Sequential(
        (0): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
        (1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      )
    )
    (1): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(256, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (2): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(256, 64, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(64, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
  )
  (layer2): Sequential(
    (0): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(256, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
      (downsample): Sequential(
        (0): Conv2d(256, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
        (1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      )
    )
    (1): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (2): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (3): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(128, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
  )
  (layer3): Sequential(
    (0): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
      (downsample): Sequential(
        (0): Conv2d(512, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
        (1): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      )
    )
    (1): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (2): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (3): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (4): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (5): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (6): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (7): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (8): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (9): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (10): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (11): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (12): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (13): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (14): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (15): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (16): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (17): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (18): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (19): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (20): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (21): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (22): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(256, 1024, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(1024, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
  )
  (layer4): Sequential(
    (0): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
      (downsample): Sequential(
        (0): Conv2d(1024, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
        (1): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      )
    )
    (1): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
    (2): Bottleneck(
      (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
      (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
      (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True) 
      (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False) #ここまでの出力を得たい
      (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
      (relu): ReLU(inplace=True)
    )
  )
  (avgpool): AdaptiveAvgPool2d(output_size=(1, 1))
  (fc): Linear(in_features=2048, out_features=2, bias=True)
)

```
とても深い層のネットワークのだが、どのモデルでもやることは同じ。
最後のCov層(med-layerとする)の出力を取り出し、出力との勾配を計算する。

上述だと割りづらいので着目するmed-layerにズームしてみる。

```python:着目するする場所
print(list(model.children())[7])
### 以下出力 ####
Sequential(
  (0): Bottleneck(
    (conv1): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (relu): ReLU(inplace=True)
    (downsample): Sequential(
      (0): Conv2d(1024, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
      (1): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    )
  )
  (1): Bottleneck(
    (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
    (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (relu): ReLU(inplace=True)
  )
  (2): Bottleneck(
    (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
    (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)　#Med-layer
    (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (relu): ReLU(inplace=True)
  )
)

```

方針は
上記の　(2)Bottleneckの(cov3)の出力を
output = model(img)
として順伝搬した際に取り出せるように(2)Bottleneck層(list(model.children())[7][2]を改造する。

以下が改造前のBttleneck層
Pytorchであれば、torchvision/models/resnet.pyの中に記されている
正確なパスは環境によって異なるが、エディタの定義に移動などで
かんたんに移動できる。

```python:models/resnet.py
class Bottleneck(nn.Module):
    expansion = 4

    def __init__(self, inplanes, planes, stride=1, downsample=None, groups=1,
                 base_width=64, dilation=1, norm_layer=None):
        super(Bottleneck, self).__init__()
        if norm_layer is None:
            norm_layer = nn.BatchNorm2d
        width = int(planes * (base_width / 64.)) * groups
        # Both self.conv2 and self.downsample layers downsample the input when stride != 1
        self.conv1 = conv1x1(inplanes, width)
        self.bn1 = norm_layer(width)
        self.conv2 = conv3x3(width, width, stride, groups, dilation)
        self.bn2 = norm_layer(width)
        self.conv3 = conv1x1(width, planes * self.expansion)
        self.bn3 = norm_layer(planes * self.expansion)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.downsample = downsample
        self.stride = stride

    def forward(self, x):
        identity = x

        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)

        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out)
        out = self.relu(out)

        out = self.conv3(out)
        out = self.bn3(out)

        if self.downsample is not None:
            identity = self.downsample(x)

        out += identity
        out = self.relu(out)

        return out
```

これを改造して中身取り出せるようにする

```python:models/resnet.py

class My_Bottleneck(nn.Module):  #名前変更
    expansion = 4
    med_out = None　　　　　　　　#med_layerの出力
    def __init__(self, inplanes, planes, stride=1, downsample=None, groups=1,
                 base_width=64, dilation=1, norm_layer=None):
        super(My_Bottleneck, self).__init__()
        if norm_layer is None:
            norm_layer = nn.BatchNorm2d
        width = int(planes * (base_width / 64.)) * groups
        # Both self.conv2 and self.downsample layers downsample the input when stride != 1
        self.conv1 = conv1x1(inplanes, width)
        self.bn1 = norm_layer(width)
        self.conv2 = conv3x3(width, width, stride, groups, dilation)
        self.bn2 = norm_layer(width)
        self.conv3 = conv1x1(width, planes * self.expansion)
        self.bn3 = norm_layer(planes * self.expansion)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.downsample = downsample
        self.stride = stride

    def forward(self, x):
        identity = x

        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)

        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out)
        out = self.relu(out)

        out = self.conv3(out)
        My_Bottleneck.med_out = out　　　　　　　#ここでクラス変数に代入
        out = self.bn3(out)

        if self.downsample is not None:
            identity = self.downsample(x)

        out += identity
        out = self.relu(out)

        return out
      
    @classmethod　　　　　　　　#クラスメソッドでいつでも取り出せるようにする。
    def get_med_out(cls):
        return cls.med_out

```
上のコードを実行するとcov1x1が未定義と怒られるため、
resnet.pyで定義されている関数などは必ず書いておく。



```python:定義
def conv3x3(in_planes, out_planes, stride=1, groups=1, dilation=1):
    """3x3 convolution with padding"""
    return nn.Conv2d(in_planes, out_planes, kernel_size=3, stride=stride,
                     padding=dilation, groups=groups, bias=False, dilation=dilation)


def conv1x1(in_planes, out_planes, stride=1):
    """1x1 convolution"""
    return nn.Conv2d(in_planes, out_planes, kernel_size=1, stride=stride, bias=False)

```


さて差し替えたい
My_Bottleneckを以下のように差し替える

```python:層の差し替え
#書き換える前にパラメータを保存しておく
torch.save(model.state_dict(), "hogehoge.model")


list(model.children())[7][2]　= My_Bottleneck(2048, 512) #非常にかんたんに書き換えれる。

print(list(model.chidren()[7])) #書き換えた場所の周辺を表示

### 以下出力 ####
Sequential(
  (0): Bottleneck(
    (conv1): Conv2d(1024, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)
    (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (relu): ReLU(inplace=True)
    (downsample): Sequential(
      (0): Conv2d(1024, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(2, 2), bias=False)
      (1): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    )
  )
  (1): Bottleneck(
    (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
    (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (relu): ReLU(inplace=True)
  )
  (2): My_Bottleneck(  #書き換わっている。
    (conv1): Conv2d(2048, 512, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn1): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)
    (bn2): BatchNorm2d(512, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (conv3): Conv2d(512, 2048, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)
    (bn3): BatchNorm2d(2048, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
    (relu): ReLU(inplace=True)
  )
)


### 出力END ####

#My_Bottleneckの学習済パラメータをloadする。

params = torch.load('hogehoge.model')
model.load_state_dict(params)


```

細かい話なので気にならない方はとばしてよい。

なぜMy_Bottleneckの引数が(2048, 512)なのかは
実際のBottleneckのinpanesが(conv1)の第一引数に対応していることから導けた。
512という値はplanesという引数だが、resnet.pyのResNet　クラス定義の、
_make_layerという関数の引数であると逆算でき、これはself.layer4 = self._make_layer.......
と対応していることから導けた。




# (3) 実際に可視化

いよいよ可視化
処理は意外とかんたん。

```python:Grad-CAM
img = open(~~~~~)#分類したい画像を開く。
img = transform(img) #学習のときと同様の処理をしてからモデルにいれる
original_img = img #あとで表示する用に残しておく。
img, model = img.to(device), model.to(device)
model.eval() #評価モードにしないと出力が変わるため注意
output = model(img)
class_label = output.argmax(dim=1).item() #分類されたクラスの数字を入手
class_score = output[0][class_label] #分類されたクラスへの出力を求める。
med_out = My_Bottleneck.get_med_out() #クラスメソッドなのでいきなり呼び出せる
N, C, H, W = med_out.shape
grads = torch.autograd.grad(class_score, med_out)
w  = grads[0][0].mean(-1).mean(-1) #チャンネルごとに勾配の平均をだし、重みを算出
ans = torch.matmul(w, med_out.view(C, H*W))
ans = F.relu(ans)
ans = ans.view(H, W).cpu().detach().numpy()
ans = cv2.resize(ans, (256, 256))
plt.imshow(original_img)
plt.imshow(ans, alpha=0.5, cmap='jet')
plt.show()

```

![Unknown-3.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/264607/4a15cfa1-df3b-5fa1-048e-c8e38595eb01.png)



![Unknown-4.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/264607/87b6880d-1311-0b2c-34d7-2d0478e6e073.png)


しっかり猫の顔面に着目している。

# あとがき
どうでもよいが、
実際の業務ではもっと煩雑なコードをかいてしまった。
cnn-finetuneでresnet101を引っ張ってきたため、
ResNetWrapperという複雑な構造に変換されていたことが原因。
cnn-finetuneで転移学習することはあまりおすすめしない。



扱いがやや複雑となった。


Guided Grad-CAM/Grad-CAM ++ などを実装する機会があれば、
紹介しようと思う。