ChatGPTとPythonで学ぶ ViT：画像分類編



おはこんばんちわ。今日も引き続きChatGPT先生をお迎えして、「ChatGPTとPythonで学ぶ ViT：画像分類編」というテーマで雑談したいと思います。それではChatGPT先生、よろしくお願いします。

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### **assistant**:

はじめまして、ChatGPTです。早速ですが、ViTについて少し詳しくお話ししましょう。

ViT（Vision Transformer）はGoogle Researchが発表した新たな画像分類手法で、一般的なCNN(Convolutional Neural Network)の代わりにTransformerという自然言語処理で広く使われるアーキテクチャを利用しています。

ViTでは、画像を固定サイズのパッチに分割し、各パッチを1Dベクトルに変換して入力とします。さらに、位置情報をエンコードした位置エンベディングを追加します。それらをまとめてTransformerの入力とし、最終的なクラス予測は、Transformerの出力のうち特定の一つ（通常は最初のトークン）をMLPに通したもので行います。

ViTは大量のデータと計算リソースを利用して学習させることで、より高精度な画像分類が可能になることが示されています。

それでは、PythonでのViTの使用方法について少し説明しましょう。

PythonでViTを使用するためには、まずhuggingface社のtransformersというライブラリをインストールする必要があります。

```bash
pip install transformers
```

次に、以下のようにして、pretrained（事前学習済み）のViTモデルをロードします。

```python
from transformers import ViTModel, ViTConfig

config = ViTConfig.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')
model = ViTModel(config)
```

以上が基本的な流れですが、詳細な実装や使用方法はhuggingface社の公式ドキュメンテーションや、各種チュートリアルを参照することをお勧めします。

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- ファインチューニングは行わない
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。

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### **assistant**:

了解しました。ただ、現状transformersライブラリは、ViTモデルを直接image classificationに使うインターフェースを提供していないため、実際の画像処理についてはPyTorchなど他のライブラリを組み合わせて使用することが一般的です。

以下に示すコードは、単純化のために画像を直接モデルに与え、得られた特徴量を基にクラスを分類する処理を示しています。このコードを実際に動作させるには適切な画像データやラベルデータが必要です。

```python
import torch
from transformers import ViTFeatureExtractor, ViTForImageClassification
from PIL import Image

# ViTが224x224のRGB画像を入力とするため、FeatureExtractorを使用して画像を前処理します
feature_extractor = ViTFeatureExtractor.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# 画像を読み込みます
image = Image.open("image.jpg")    # "image.jpg"はあなたが分類したい画像のパスに置き換えて下さい

# 画像の前処理を行います
inputs = feature_extractor(images=image, return_tensors="pt")

# GPUが利用可能ならGPUにデータを送ります
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')   
inputs = inputs.to(device)

# ViTモデルをロードします
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')
model = model.to(device)    # モデルも同様にGPUへ送ります

# モデルを評価モードへ切り替えます (DropoutやBatchNormが影響を及ぼさないように)
model.eval()

# モデルに画像を渡して、出力を得ます
outputs = model(**inputs)

# 得られた出力は各クラスに対するロジットであり、最大のものを予測値となります
_, predicted = torch.max(outputs.logits, 1)

# 予測されたクラスIDを表示します
print("Predicted class:", predicted.item())
```

なお、上記コードで使用したViTForImageClassificationモデルは、入力画像の全てのパッチに対する特徴量を計算します。そのため、出力された各クラスのロジットは画像内の全てのパッチの情報を反映したものとなります。最終的に、最も確信度が高いクラスが予測されたクラスとなります。

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- ファインチューニングは行わない
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。
- torchvision の画像データセットを用いて予測を行い、予測性能を評価してください。

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### **assistant**:

はい、よろしいです。以下に、torhcvisionのCIFAR10というデータセットを用いて画像の予測を行い、その予測性能を評価するPythonコードを示します。

ただし、CIFAR10のデータセットは32x32ピクセルの画像を含んでいるため、それをViTモデルが要求する224x224ピクセルの画像にリサイズする処理を施します。

また、誤差(予測性能)の評価指標はクロスエントロピー損失にしました。あくまでサンプルですので、使用目的に応じて評価指標を変更してください。

```python
import torch
from torchvision.datasets import CIFAR10
from torchvision.transforms import Resize, ToTensor, Normalize, Compose
from torch.utils.data import DataLoader
from transformers import ViTForImageClassification
from transformers.models.vit.feature_extraction import ViTFeatureExtractor
from torch import nn

# ViTが224x224のRGB画像を入力とするため、ResizeでCIFAR10の画像をリサイズします
transform = Compose([
    Resize((224, 224)),
    ToTensor(),
    Normalize(mean=(0.5, 0.5, 0.5), std=(0.5, 0.5, 0.5)),
])

#CIFAR10のテストデータセットをロードします
test_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)

# バッチサイズを64としたデータローダーを作成します
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

# ViTForImageClassificationモデルをロードします
model: nn.Module = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# CUDAを利用可能であればViTモデルをGPUに移動します
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)

# モデルを評価モードに切り替えます
model.eval()

# クロスエントロピー損失を評価指標とします
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

losses = []  # 各バッチでの損失を格納するリスト

# テストデータをバッチごとにループします
for images, labels in test_loader:
    with torch.no_grad():
        # データとラベルをGPUに移動します
        images = images.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # フォワードパスを実行します
        outputs = model(images)

        # ロスを計算します
        loss = criterion(outputs.logits, labels)

        # 損失をリストに追加します
        losses.append(loss.item())

# 全てのバッチで平均損失を計算し、それを表示します
print("Test Loss: ", sum(losses) / len(losses))
```

なお、ここで示したサンプルコードでは、transformersによるViTモデルの利用法に焦点を当てているため、モデルの検証方法や評価指標の選択、予測結果の解釈などは単純化したものとなっています。データサイエンスのプロジェクトを遂行する場合には、これらの要素を適切に拡張・適用する必要があります。

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- ファインチューニングは行わない
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。
- torchvision のCIFAR10データセットを用いて予測を行い、予測性能はaccuracy scoreで評価してください。

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### **assistant**:

説明に従って、ViTを用いた画像分類の具体的なコードのサンプルを記述します。ここでは、CIFAR10データセットを用いてViTの予測を行い、その予測性能をAccuracyで評価します。GPUが利用可能であれば、その計算に利用します。

```python
import torch
from torchvision.datasets import CIFAR10
from torchvision.transforms import Resize, ToTensor, Normalize, Compose
from torch.utils.data import DataLoader
from transformers import ViTForImageClassification
from torch import nn

# ViTモデルが想定するサイズ224x224に画像をリサイズします。また画像をTensorに変換し、正規化します。
test_transform = Compose([
    Resize((224, 224)),
    ToTensor(),
    Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))  # CIFAR10のイメージ画素値は[0,1]なので、[-1,1]に正規化します。
])

# CIFAR10のテストデータセットを読み込みます。ダウンロードがまだならダウンロードもします。
test_dataset = CIFAR10(root="./", train=False, download=True, transform=test_transform)

test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)  # バッチサイズを64に設定

# ViTモデルをロードします。ここでは事前学習済みのモデル google/vit-base-patch16-224 を使用します
model: nn.Module = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# モデルを評価モードにします（Dropoutレイヤーなどが評価モードに適切に切り替えられます）
model.eval()

# GPUが利用可能ならモデルをGPUに移動します
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)

correct = 0  # 正しく分類できた予測の数
total = 0  # 全予測の数

# すべてのテストデータに対して予測を行います
with torch.no_grad():  # 勾配の計算が必要ないので、計算を省略
    for images, labels in test_loader:
        # 画像とラベルをGPUに移動します （deviceがCPUの場合はそのまま）
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)
        
        # 予測を行います
        outputs = model(images)
        
        # 対象のラベルを予測します
        _, predicted = outputs.logits.max(1)

        total += labels.size(0) # テストデータの総数
        correct += (predicted == labels).sum().item() # 正解の分類予測の総数

print(f"Accuracy of the model on the test images: {correct / total}")
```

このコードは指定されたViTモデルを使用してCIFAR10テストデータセット上で予測を行い、それに基づいて予測精度を評価します。クラス分類タスクにて、一般的には一番高い出力値を持つクラスが予測ラベルとなります（`_`は予測ラベルそれぞれの最大予測値で、このケースではそれは不要です）。その後、正確さ（全予測の中で正しく予測されたものの割合）を計算し、表示します。

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### **user**:

ありがとうございます。次の結果が得られました。

```
Downloading https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz to ./cifar-10-python.tar.gz
100%|██████████| 170498071/170498071 [00:19<00:00, 8952599.09it/s]
Extracting ./cifar-10-python.tar.gz to ./
config.json: 100%
69.7k/69.7k [00:00<00:00, 426kB/s]
model.safetensors: 100%
346M/346M [00:06<00:00, 56.1MB/s]
Accuracy of the model on the test images: 0.0
```

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### **assistant**:

結果からみると、モデルの予測精度が 0.0 と表されています。つまり、モデルがCIFAR10のテスト画像に対して全く正確な予測を行えていない状況を示しています。

その主な理由は、ViTモデル 'google/vit-base-patch16-224' が、ImageNetという大規模なデータセットで事前学習されており、その出力層の最終的なクラス数（以前のログでそのフィールド名が logits であることを確認しています）は ImageNet のクラス数と一致する 1000 クラスとなっています。これに対して、CIFAR10データセットのクラス数は 10 種類です。

したがって、出力層のノード数とCIFAR10のクラス数との間にミスマッチが発生し、モデルが望むクラスの予測を正しく行えない状況となっています。

この問題を解決するまでにはいくつかのアプローチがありますが、多くの場合は以下の二つのうちどちらかを選びます：

1. そのまま fine-tuning（転移学習）を行う。その際に最終的な全結合層（出力層）を変更し、新たなタスクのクラス数に一致するようにする。
2. 事前学習済みモデルを特徴抽出器として使用し、得られた特徴量（bertoolkitでは outputs.pooler_output に存在）に対して別途小さな分類器モデルをトレーニングする。

なお、指定されている通りに fine-tuning を避ける場合は、後者のアプローチを取ることになります。

しかし今回の事例では、ご指定通り fine-tuningを行わずに事前学習済みモデルをそのまま使用することになりますので、ご希望の結果を得るには最初のアプローチが必要となり、それはご指定の条件とは異なります。そこで提案として、ViTモデルの最終層を新しい全結合層に置き換えて、新しいタスクを学習するための Fine-tuning ステップを追加することをご検討いただけないでしょうか。

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- fine-tuning（転移学習）を行う。その際に最終的な全結合層（出力層）を変更し、新たなタスクのクラス数に一致するようにする。
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。
- torchvision のCIFAR10データセットを用いて予測を行い、予測性能はaccuracy scoreで評価してください。


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### **assistant**:

かしこまりました。それでは、指定された要求に合わせて、事前学習済みの `google/vit-base-patch16-224` モデルをCIFAR10データセットに対してファインチューニングし、予測を行い、予測性能をAccuracyで評価するPythonコードを作成します。

```python
import torch
from torchvision.datasets import CIFAR10
from torchvision.transforms import Resize, ToTensor, Normalize, Compose
from torch.utils.data import DataLoader
from torch import nn, optim
from transformers import ViTModel

# CIFAR10は10クラスのデータセットなので、出力層は10ユニットとする
num_classes = 10

# ViTモデルが要求する画像サイズにリサイズし、[-1,1]に正規化
transform = Compose([
    Resize((224, 224)),
    ToTensor(),
    Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5)),
])

# 冗長な出力を抑制
import logging
logging.basicConfig(level=logging.ERROR)

train_dataset = CIFAR10(root='./', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# 事前学習済みViTモデルを読み込み
base_model = ViTModel.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# モデルの全結合層を新しい層に置き換える
base_model.classifier = nn.Linear(base_model.classifier.in_features, num_classes)
model = base_model.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

# 学習ループ
for epoch in range(10):
    for i, (inputs, labels) in enumerate(train_loader):
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前回のバックグラウンドの勾配をゼロにする
        optimizer.zero_grad()

        # forward + backward + optimize
        outputs = model(inputs).logits
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

# テストループ
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():     
    for images, labels in test_loader:
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)

        outputs = model(images).logits
        _, predicted = outputs.max(1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy of the model on test images: %d %%' % (100 * correct / total))
```

このコードでは事前学習済みの `google/vit-base-patch16-224` モデルを読み込み、その全結合層をCIFAR10の10クラスに適応した新しい層に置き換えています。その後、学習ループではこのモデルをファインチューニングします。最後に、モデルの性能をテストデータに基づいて評価します。

ただし本当の使用状況では、適切な学習率を見つけるための学習率探索、モデルのオーバーフィットを防ぐための早期停止や正則化手法（Dropout, Weight Decay等）、性能向上のためのData Augmentation等のテクニックを適用する等、さらなるステップが必要です。今回はご指定に基づき、基本的な流れのみを示しています。

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- fine-tuning（転移学習）を行う。その際に最終的な全結合層（出力層）を変更し、新たなタスクのクラス数に一致するようにする。
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。
- torchvision のCIFAR10データセットを用いて予測を行い、予測性能はaccuracy scoreで評価してください。
- 上記のコードをベースに、下記のエラーを修正した全コードを書いてください。

```
Files already downloaded and verified
Files already downloaded and verified
Some weights of ViTModel were not initialized from the model checkpoint at google/vit-base-patch16-224 and are newly initialized: ['vit.pooler.dense.weight', 'vit.pooler.dense.bias']
You should probably TRAIN this model on a down-stream task to be able to use it for predictions and inference.
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
Cell In[2], line 33
     30 base_model = ViTModel.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')
     32 # モデルの全結合層を新しい層に置き換える
---> 33 base_model.classifier = nn.Linear(base_model.classifier.in_features, num_classes)
     34 model = base_model.to(device)
     36 criterion = nn.CrossEntropyLoss()

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/torch/nn/modules/module.py:1695, in Module.__getattr__(self, name)
   1693     if name in modules:
   1694         return modules[name]
-> 1695 raise AttributeError(f"'{type(self).__name__}' object has no attribute '{name}'")

AttributeError: 'ViTModel' object has no attribute 'classifier'
```

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### **assistant**:

指摘されたエラーは、'ViTModel' オブジェクトが 'classifier' 属性を持たないというものです。このエラーは、ViTModelクラスが全結合層の代わりに線形変換を行う 'classifier' 属性を持っていないために発生します。HuggingFaceのViTModelはHuggingFaceのTransformerモデルの設計に従って、`head`という名前の属性で分類器（全結合層）を実装しています。そのため、`base_model.classifier`を`base_model.head`に変更します。

また、事前学習済みモデルのロード時に、`ViTForImageClassification`ではなく、`ViTModel`が使用されています。このため、全結合層（head）が存在しないためエラーが生じています。そのため、`ViTModel`を`ViTForImageClassification`に変更します。

これらを踏まえて、エラーの修正を行ったコードを以下に示します。

```python
from transformers import ViTForImageClassification

train_dataset = CIFAR10(root='./', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# 事前学習済みViTモデルを読み込み
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224', num_labels = num_classes)

# モデルの全結合層を新しい層に置き換える
model.classifier = nn.Linear(model.config.hidden_size, num_classes)
model = model.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

# 学習ループ
for epoch in range(10):
    for i, (inputs, labels) in enumerate(train_loader):
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前回のバッチの勾配をリセット
        optimizer.zero_grad()

        # forward + backward + optimize
        outputs = model(inputs)['logits']   # ViTForImageClassificationの出力は辞書型です
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

# テストループ
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():     
    for images, labels in test_loader:
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)

        outputs = model(images)['logits']
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy of the model on test images: %d %%' % (100 * correct / total))
```

以上のコードは、マルチラベル分類問題用の `ViTForImageClassification` モデルを使用し、その分類器（`classifier`または`head`）をリプレースすることで、CIFAR10用（10クラス）の分類器を持つモデルに変換します。このモデルは画像とラベルのミニバッチに対して訓練され、その後テストセット上で評価されます。なお、`ViTForImageClassification`からモデルをロードするときには、引数`num_labels`を指定してモデルに必要なアウトプットクラス数を伝えることが可能です。

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### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- fine-tuning（転移学習）を行う。その際に最終的な全結合層（出力層）を変更し、新たな タスクのクラス数に一致するようにする。
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。
- torchvision のCIFAR10データセットを用いて予測を行い、予測性能はaccuracy scoreで評価してください。
- 上記のコードをベースに、下記のエラーを修正した全コードを書いてください。

```
Files already downloaded and verified
Files already downloaded and verified
---------------------------------------------------------------------------
RuntimeError                              Traceback (most recent call last)
Cell In[3], line 12
      9 device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
     11 # 事前学習済みViTモデルを読み込み
---> 12 model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224', num_labels = num_classes)
     14 # モデルの全結合層を新しい層に置き換える
     15 model.classifier = nn.Linear(model.config.hidden_size, num_classes)

File ~/.local/lib/python3.10/site-packages/transformers/modeling_utils.py:3706, in PreTrainedModel.from_pretrained(cls, pretrained_model_name_or_path, config, cache_dir, ignore_mismatched_sizes, force_download, local_files_only, token, revision, use_safetensors, *model_args, **kwargs)
   3697     if dtype_orig is not None:
   3698         torch.set_default_dtype(dtype_orig)
   3699     (
   3700         model,
   3701         missing_keys,
   3702         unexpected_keys,
   3703         mismatched_keys,
   3704         offload_index,
   3705         error_msgs,
-> 3706     ) = cls._load_pretrained_model(
   3707         model,
   3708         state_dict,
   3709         loaded_state_dict_keys,  # XXX: rename?
   3710         resolved_archive_file,
   3711         pretrained_model_name_or_path,
   3712         ignore_mismatched_sizes=ignore_mismatched_sizes,
   3713         sharded_metadata=sharded_metadata,
   3714         _fast_init=_fast_init,
   3715         low_cpu_mem_usage=low_cpu_mem_usage,
   3716         device_map=device_map,
   3717         offload_folder=offload_folder,
   3718         offload_state_dict=offload_state_dict,
   3719         dtype=torch_dtype,
   3720         is_quantized=(getattr(model, "quantization_method", None) == QuantizationMethod.BITS_AND_BYTES),
   3721         keep_in_fp32_modules=keep_in_fp32_modules,
   3722     )
   3724 model.is_loaded_in_4bit = load_in_4bit
   3725 model.is_loaded_in_8bit = load_in_8bit

File ~/.local/lib/python3.10/site-packages/transformers/modeling_utils.py:4166, in PreTrainedModel._load_pretrained_model(cls, model, state_dict, loaded_keys, resolved_archive_file, pretrained_model_name_or_path, ignore_mismatched_sizes, sharded_metadata, _fast_init, low_cpu_mem_usage, device_map, offload_folder, offload_state_dict, dtype, is_quantized, keep_in_fp32_modules)
   4162     if "size mismatch" in error_msg:
   4163         error_msg += (
   4164             "\n\tYou may consider adding `ignore_mismatched_sizes=True` in the model `from_pretrained` method."
   4165         )
-> 4166     raise RuntimeError(f"Error(s) in loading state_dict for {model.__class__.__name__}:\n\t{error_msg}")
   4168 if is_quantized:
   4169     unexpected_keys = [elem for elem in unexpected_keys if "SCB" not in elem]

RuntimeError: Error(s) in loading state_dict for ViTForImageClassification:
	size mismatch for classifier.weight: copying a param with shape torch.Size([1000, 768]) from checkpoint, the shape in current model is torch.Size([10, 768]).
	size mismatch for classifier.bias: copying a param with shape torch.Size([1000]) from checkpoint, the shape in current model is torch.Size([10]).
	You may consider adding `ignore_mismatched_sizes=True` in the model `from_pretrained` method.
```

---

### **assistant**:

エラーのメッセージから、モデルの各層に対する重みの形状（shape）が一致していないために `RuntimeError` が発生していることが分かります。具体的には、事前学習モデルの全結合層（最後の層）の出力サイズが1000であり、現在のモデルの出力サイズが10であるため、問題が発生しています。

これは、事前学習済みのモデルをCIFAR-10データセットにfine-tuning（転移学習）する際、全結合層の出力サイズを変更する必要があるためです。ただし、モデルをロードした直後に全結合層を修正すればこの問題は解消されます。

したがって、全結合層を修正する行を、`ViTForImageClassification.from_pretrained()` を呼び出す前から後に移動させる事でこの問題を解消します。

以下に修正したコードを示します：

```python
from transformers import ViTForImageClassification

train_dataset = CIFAR10(root='./', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# 事前学習済みViTモデルを読み込み
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# モデルの全結合層を新しい層に置き換える
model.classifier = nn.Linear(model.config.hidden_size, num_classes)
model = model.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

# 学習ループ
for epoch in range(10):
    for i, (inputs, labels) in enumerate(train_loader):
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前回のバッチの勾配をリセット
        optimizer.zero_grad()

        # forward + backward + optimize
        outputs = model(inputs)['logits']   # ViTForImageClassificationの出力は辞書型です
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

# テストループ
correct = 0
total = 0
with torch.no_grad():     
    for images, labels in test_loader:
        images, labels = images.to(device), labels.to(device)

        outputs = model(images)['logits']
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy of the model on test images: %d %%' % (100 * correct / total)) 
```
以上の修正により、事前学習済みモデルの全結合層（最後の層）を新しい全結合層に置き換えることができます。新しい全結合層は、CIFAR-10データセットの分類タスクに適した設定（10クラス）になっています。

---

### **user**:

ありがとうございます。それでは、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- fine-tuning（転移学習）を行う。その際に最終的な全結合層（出力層）を変更し、新たな タスクのクラス数に一致するようにする。
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- 型ヒントを導入してください。
- GPUを使った方がいい場合、GPUが使えれば使うというコードにしてください。
- エポックごとにログを表示し、スナップショットを保存してください。スナップショットには、モデルと一緒に、train_loss, valid_loss、trainingに何分かかったかの履歴も保存するようにしてください。
- torchvision のCIFAR10データセットを用いて予測を行い、予測性能はaccuracy scoreで評価してください。

---

### **assistant**:

以下に詳細なリクエストに対するコードを記載します。

```python
import os
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import CIFAR10
import torchvision.transforms as transforms
from transformers import ViTForImageClassification
from tqdm import tqdm
import time
import copy

# ViTの入力サイズに合わせて画像サイズを変更
transform = transforms.Compose(
    [transforms.Resize((224, 224)),  # ViTの入力サイズ
     transforms.ToTensor(),
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

# 履歴保存用の辞書
history = {"train_loss": [], "valid_loss": [], "train_time": []}

# 学習データと評価データをロード
train_dataset = CIFAR10(root='./', train=True, download=True, transform=transform)
valid_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
valid_loader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
num_classes = 10  # CIFAR10のクラス数

# 事前学習済みViTモデルを読み込み
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# モデルの全結合層を新しい層に置き換える
model.classifier = nn.Linear(model.classifier.in_features, num_classes)
model = model.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

# モデルの学習・評価
for epoch in range(10):
    start_time = time.time()
    epoch_train_loss = 0  # エポックごとの訓練損失

    model.train()
    for inputs, labels in train_loader:
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前回のバッチの勾配をリセット
        optimizer.zero_grad()

        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs.logits, labels)

        loss.backward()  # 勾配計算
        optimizer.step()  # パラメータ更新

        epoch_train_loss += loss.item()

    history["train_loss"].append(epoch_train_loss / len(train_loader))

    model.eval()
    epoch_valid_loss = 0  # エポックごとのバリデーション損失
    with torch.no_grad():
        for inputs, labels in valid_loader:
            inputs = inputs.to(device)
            labels = labels.to(device)

            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs.logits, labels)

            epoch_valid_loss += loss.item()

    history["valid_loss"].append(epoch_valid_loss / len(valid_loader))

    elapsed_time = time.time() - start_time
    history["train_time"].append(elapsed_time)

    print("Epoch: {}, Train Loss: {}, Valid Loss: {}, Time: {}sec.".format(
        epoch + 1,
        history["train_loss"][-1],
        history["valid_loss"][-1],
        elapsed_time))
    torch.save({
        'epoch': epoch + 1,
        'model_state_dict': model.state_dict(),
        'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
        'loss': loss,
        'history': history
    }, '../model.pth')
```

---

### **user**:

これはモデルの全パラメーターを更新するのでしたでしょうか？ちょっと時間がかかりすぎて辛いなと思ったので。

---

### **assistant**:

はい、このモデルではデフォルトで全パラメータが更新対象となっています。これにより訓練時間が長くなるでしょう。

時間を短縮するためには、fine-tuningする際に全パラメータを更新の対象とせず、最終層のみを更新の対象とするといいでしょう。以前学習された特徴は既に一般的な特徴を捉えていると仮定すると、最終層の更新だけで十分だと考えることができます。これは、以下のように`optimizer`を設定することで実現できます。

```python
# モデルの全結合層のみを更新
optimizer = torch.optim.Adam(model.classifier.parameters(), lr=0.001)
```

これにより、`model.classifier`（最終層）のパラメータのみが更新され、他の部分は事前学習時の状態を保持します。ただし、これにより訓練時間が短縮される一方で学習精度の低下が起こる可能性があります。

---

### **user**:

ありがとうございます。それでは、上記のコードをベースに、ViTを使った画像分類の具体的なコードを書いてください。

- 事前学習済みViTモデルとして google/vit-base-patch16-224 を利用
- fine-tuning（転移学習）を行う。新たな タスクのクラス数に一致するようにする。全パラメータを更新の対象とせず、最終層のみを更新の対象とする
- コード中に日本語での説明も可能な限り詳しくお願いします。
- エポックごとにログを表示し、スナップショットを保存してください。スナップショットには、モデルと一緒に、train_loss, valid_loss、trainingに何分かかったかの履歴も保存するようにしてください。
- torchvision のCIFAR10データセットを用いて予測を行い、予測性能はaccuracy scoreで評価してください。

---

### **assistant**:

以下のコードは、あなたの要件に基づいて更新されました。ここでは、事前学習済みのViTモデルの最終層のみを更新しています。

```python
import os
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import CIFAR10
import torchvision.transforms as transforms
from transformers import ViTForImageClassification
from tqdm import tqdm
import time
import copy

# ViTの入力サイズに合わせて画像サイズを変更
transform = transforms.Compose(
    [transforms.Resize((224, 224)),  # ViTの入力サイズ
     transforms.ToTensor(),
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

# 履歴保存用の辞書
history = {"train_loss": [], "valid_loss": [], "train_time": []}

# 学習データと評価データをロード
train_dataset = CIFAR10(root='./', train=True, download=True, transform=transform)
valid_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
valid_loader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
num_classes = 10  # CIFAR10のクラス数

# 事前学習済みViTモデルを読み込み
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224')

# モデルの全結合層を新しい層に置き換える
model.classifier = nn.Linear(model.classifier.in_features, num_classes)
model = model.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.classifier.parameters(), lr=0.001)  # 全結合層のみ更新

# モデルの学習・評価
for epoch in range(10):
    start_time = time.time()
    epoch_train_loss = 0  # エポックごとの訓練損失

    model.train()
    for inputs, labels in train_loader:
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前回のバッチの勾配をリセット
        optimizer.zero_grad()

        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs.logits, labels)

        loss.backward()  # 勾配計算
        optimizer.step()  # パラメータ更新

        epoch_train_loss += loss.item()

    history["train_loss"].append(epoch_train_loss / len(train_loader))

    model.eval()
    epoch_valid_loss = 0  # エポックごとのバリデーション損失
    with torch.no_grad():
        for inputs, labels in valid_loader:
            inputs = inputs.to(device)
            labels = labels.to(device)

            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs.logits, labels)

            epoch_valid_loss += loss.item()

    history["valid_loss"].append(epoch_valid_loss / len(valid_loader))

    elapsed_time = time.time() - start_time
    history["train_time"].append(elapsed_time)

    print("Epoch: {}, Train Loss: {}, Valid Loss: {}, Time: {}sec.".format(
        epoch + 1,
        history["train_loss"][-1],
        history["valid_loss"][-1],
        elapsed_time))
    torch.save({
        'epoch': epoch + 1,
        'model_state_dict': model.state_dict(),
        'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
        'loss': loss,
        'history': history
    }, 'model.pth')
```

全結合層以外の重みは更新せず、全結合層のみ更新します。表示と保存も行います。

---

### **user**:

ありがとうございます。次の結果が得られました。

```
Files already downloaded and verified
Files already downloaded and verified
Epoch: 1, Train Loss: 0.14470716326466532, Valid Loss: 0.10520838012408679, Time: 658.485621213913sec.
Epoch: 2, Train Loss: 0.08461695630937015, Valid Loss: 0.10317118965670656, Time: 657.7366993427277sec.
Epoch: 3, Train Loss: 0.07144043552736892, Valid Loss: 0.10106804200513347, Time: 658.0195360183716sec.
Epoch: 4, Train Loss: 0.06378537338614687, Valid Loss: 0.10150615799768715, Time: 657.9448547363281sec.
Epoch: 5, Train Loss: 0.05778005618832486, Valid Loss: 0.10271108899396031, Time: 658.1166853904724sec.
Epoch: 6, Train Loss: 0.05423306237847861, Valid Loss: 0.10515879489374673, Time: 657.2710537910461sec.
Epoch: 7, Train Loss: 0.050435772308644475, Valid Loss: 0.10730245890938173, Time: 657.5142002105713sec.
Epoch: 8, Train Loss: 0.04728277706850172, Valid Loss: 0.11046679676688353, Time: 658.3830990791321sec.
Epoch: 9, Train Loss: 0.04485625135914787, Valid Loss: 0.11532985040351487, Time: 659.1165418624878sec.
Epoch: 10, Train Loss: 0.042944644470615766, Valid Loss: 0.12034199030322444, Time: 657.6269342899323sec.
```

---

### **assistant**:

訓練が正常に進行し、途中経過もきちんと表示されているようです。また、モデルのスナップショットも各エポックごとに保存されています。

しかし、エポックが進むにつれて検証データセットに対する損失（`Valid Loss`）が増加していることがわかります。これは学習モデルが訓練データセットに過剰適合（オーバーフィッティング）している可能性を示しています。途中で適切なモデルを選択できるように、検証データセットに対する損失が最小のモデルのスナップショットを保存することを検討してみてください。

また、予測性能を評価するコードは見当たりませんでしたので、以下にテストデータセットに対する予測精度を計算するコード例を示します。

```python
# テストセットの予測精度を計算
correct = 0
total = 0

# no_grad()を使用してバックプロパゲーションを無効化（予測時には不要）
with torch.no_grad():
    for inputs, labels in valid_loader:
        inputs = inputs.to(device)
        labels = labels.to(device)

        outputs = model(inputs)
        _, predicted = torch.max(outputs.logits.data, 1)

        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print('Accuracy of the network on the test images: %d %%' % (100 * correct / total))
```

以上、どうぞご参考になさってください。

---

### **user**:

ありがとうございます。次の結果が得られました。

```
Accuracy of the network on the test images: 96 %
```

---

### **assistant**:

素晴らしい結果です！おめでとうございます。96%の精度は、このモデルがCIFAR10データセットに対して非常に優れた性能を発揮していることを示しています。

ViTの有効性が確認できたと思います。最後の全結合層だけを更新してfine-tuningを行うという方法はComputational costが少なくて済むので、大規模なデータや複雑なタスクに対しても応用が可能です。

これからも何かお困りのことがあれば何でもお気軽にご相談ください。引き続き頑張ってください！

---

### **user**:

ありがとうございます。ViTの利点として、画像のどこに注目したかを可視化できるんでしたよね？ ランダムに選んだ１０個の画像に対して予測を行い、その画像のどこに注目して予測を行ったか可視化するコードを書いてもらえますか？

---

### **assistant**:

あなたの要求に基づいたコードを下記に示します。モデルに注目マップ (attention map) を作成させるためには、attention_scores を取得する必要があります。以下のコードはランダムに 10 個の画像を選択し、それらに対する予測と注目 (attention) の位置を可視化します。

```python
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import random

model = model.eval()

# ランダムに10個の画像を選択
images, labels = next(iter(valid_loader))
images = images[:10].to(device)
labels = labels[:10].to(device)

# 逆正規化
inv_normalize = transforms.Normalize(
   mean=[-0.485/0.229, -0.456/0.224, -0.406/0.225],
   std=[1/0.229, 1/0.224, 1/0.225]
)

# 推論を実行
with torch.no_grad():
    outputs = model(images)
    _, preds = torch.max(outputs.logits, 1)
    # 注目マップを取得
    attention_map = outputs.attentions

# 画像ごとに処理
for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
    # 注目マップの平均を取得
    att_map = attention_map[-1][0, i].cpu()
    att_map = att_map.mean(dim=0)

    # 元の画像を取得
    img = inv_normalize(image)
    img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()

    # 注目マップを224x224に拡大
    att_map = att_map.repeat_interleave(8, dim=0)  # 28 -> 224
    att_map = att_map.repeat_interleave(8, dim=1)  # 28 -> 224
    att_map = att_map.numpy()

    # 画像描画
    fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    axs[0].imshow(img.clip(0, 1))
    axs[0].set_title(f"Predicted: {label.item()}")
    axs[1].imshow(att_map, cmap='jet')
    axs[1].set_title("`Attention Map`")
    plt.show()
```
このコードは、各イメージで最後のattentionレイヤーを平均化し、それに基づいてヒートマップを作成します。ある特定のピクセルが多くのヘッドにとって重要であった場合、それはヒートマップ上でより高い値（より明るい色）を持たせます。

注: matplotlibのimshow関数では、データが [0, 1] または [0, 255] の範囲に収まっている必要があります。そのため、画像の値をクリップするために `img.clip(0, 1)` を使用します。また、ここで作成した注目マップはあくまで1つの解釈で、実際のモデルの注目の働きを単純化したものであることをご了承ください。

---

### **user**:

ありがとうございます。上記コードをベースに、下記エラーを修正した全コードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[3], line 28
     25 # 画像ごとに処理
     26 for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
     27     # 注目マップの平均を取得
---> 28     att_map = attention_map[-1][0, i].cpu()
     29     att_map = att_map.mean(dim=0)
     31     # 元の画像を取得

TypeError: 'NoneType' object is not subscriptable
```

---

### **assistant**:

おそらく、attentionsを出力として返すようにモデルの設定が必要です。最初にモデルをロードする際に、`output_attentions=True`というオプションを設定する必要があります。

以下は、そのための全コードです：

```python
import torch
import torchvision.transforms as transforms
from torchvision.datasets import CIFAR10
from torch.utils.data import DataLoader
from transformers import ViTForImageClassification
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import random

# データの前処理
transform = transforms.Compose(
    [transforms.Resize((224, 224)),   # ViTの入力サイズ
     transforms.ToTensor(),
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

# CIFAR10テストセットを取得
valid_dataset = CIFAR10(root='./', train=False, download=True, transform=transform)
valid_loader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# モデルの其規定と重みの読み込み
model = ViTForImageClassification.from_pretrained('google/vit-base-patch16-224', output_attentions=True)
model = model.to(device)
model = model.eval()

# 逆正規化の設定
inv_normalize = transforms.Normalize(
   mean=[-0.485/0.229, -0.456/0.224, -0.406/0.225],
   std=[1/0.229, 1/0.224, 1/0.225]
)

# 画像サンプルの取得と注目マップの表示
images, labels = next(iter(valid_loader))
images = images[:10].to(device)

with torch.no_grad():
    outputs = model(images)
    _, preds = torch.max(outputs.logits, 1)
    attention_map = outputs.attentions

for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
    att_map = attention_map[-1][0, i].cpu()
    att_map = att_map.mean(dim=0)

    # 元の画像を取得
    img = inv_normalize(image)
    img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()

    # 注目マップを224x224に拡大
    att_map = att_map.repeat_interleave(8, dim=0)
    att_map = att_map.repeat_interleave(8, dim=1)
    att_map = att_map.numpy()

    # 画像描画
    fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    axs[0].imshow(img.clip(0, 1))
    axs[0].set_title(f"Predicted: {label.item()}")
    axs[1].imshow(att_map, cmap='jet')
    axs[1].set_title("Attention Map")
    plt.show()
```

ただし、CIFAR10データセットはラベルが数字であり、各数字が何を示すかは明示的に示されていません。このコードでは、予測ラベルの数字が表示されますが、それが何を意味するかを知るためにはCIFAR10の公式ドキュメンテーションを参照してください。


---

### **user**:

ありがとうございます。ファインチューニング後のモデルを用いて、ランダムに選んだ１０個の画像に対して予測を行い、その画像のどこに注目して予測を行ったか可視化するコードを書いてください。その際に、上記のコードをベースに、下記のエラーを修正した全コードを書いてください。

```
Files already downloaded and verified
---------------------------------------------------------------------------
IndexError                                Traceback (most recent call last)
Cell In[4], line 52
     50 # 注目マップを224x224に拡大
     51 att_map = att_map.repeat_interleave(8, dim=0)
---> 52 att_map = att_map.repeat_interleave(8, dim=1)
     53 att_map = att_map.numpy()
     55 # 画像描画

IndexError: Dimension out of range (expected to be in range of [-1, 0], but got 1)
```

---

### **assistant**:

エラーメッセージを見ると、`att_map`の`repeat_interleave(8, dim=1)`に関連する問題が発生しているようです。このエラーは、要求した次元が存在しないために発生します。

すなわち、2次元のデータに対して`dim=1`を指定した場合には問題ありませんが、1次元のデータに対して`dim=1`を指定したときにこのエラーが発生します。

attention_mapは[(バッチサイズ, 1, 14, 14)]の形をしているため、バッチサイズの次元を削除するためにsqueeze()を使用することで、エラーを修正できます。そしてrepeat_interleaveを適用する前にunsqueezeを使用して注目マップを2次元にすると、エラーは修正されるはずです。

こちらが修正したコードです：

```python
import matplotlib.pyplot as plt
import torch

# ランダムに10個の画像を選択
images, labels = next(iter(valid_loader))
images = images[:10].to(device)
labels = labels[:10]

#逆正規化
inv_normalize = transforms.Normalize(
   mean=[-0.485/0.229, -0.456/0.224, -0.406/0.225],
   std=[1/0.229, 1/0.224, 1/0.225]
)

#推論を実行
with torch.no_grad():
    outputs = model(images)
    _, preds = torch.max(outputs.logits, 1)
    attention_map = outputs.attentions

#各画像ごとに処理
for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
    #注目マップの平均を取得
    att_map = attention_map[-1][0, i].cpu().squeeze().mean(dim=0)
    #注目マップを2次元にする
    att_map = att_map.unsqueeze(-1)
    #元の画像を取得
    img = inv_normalize(image)
    img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()
    #注目マップを画像と同じサイズにスケーリング
    att_map = att_map.repeat_interleave(16, dim=0)
    att_map = att_map.repeat_interleave(16, dim=1)
    att_map = att_map.numpy()
    #画像表示
    fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    axs[0].imshow(img.clip(0, 1))
    axs[0].set_title(f"Predicted: {label.item()}")
    axs[1].imshow(att_map, cmap='jet')
    axs[1].set_title("Attention Map")
    plt.show()
```

ただし、上記コードは訓練が終わったモデルを使用しているため、`model`が最新の重みで更新されていることを確認してください。そして、各画像に対する予測が正しいラベルと一致しているかを確認するために、正しいラベルを表示するようにコードを調整することも可能です。

![output_9_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/78a2e543-3203-4a81-f4b1-925186511f20.png)
![output_9_1.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/e50fc5cd-873a-807c-bf39-364285a413f2.png)
![output_9_2.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/bfaee0fe-01d4-374e-07b1-2e52ea666057.png)
![output_9_3.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/576ab93e-2972-38c7-7443-221154537541.png)
![output_9_4.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/184fd833-616d-57d2-130a-e6240e9d95f8.png)
![output_9_5.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/d5bbe638-2079-7440-7fbd-b9e96dd6ff7c.png)
![output_9_6.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/bd98ba7c-fa37-cb85-3288-a07aa6c31577.png)
![output_9_7.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/99078a9c-28a9-9b35-b5ac-e4627f83256f.png)
![output_9_8.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/b6b8724a-6190-92d4-6a11-0912703ebdb4.png)
![uploading...0]()



---

### **user**:

ありがとうございます。ファインチューニング後のモデルを用いて、ランダムに選んだ１０個の画像に対して予測を行い、その画像のどこに注目して予測を行ったか可視化するコードを書いてください。上記コードをベースに、次の修正を加えてください。

- Attention Map を１次元ではなく２次元にしてください。
- ２次元のAttention Mapのサイズを元画像と同じにしてください。

---

### **assistant**:

通常、Attention Mapは2次元（通常、サイズは14x14）であり、各ピクセルの注目度を表します。

上記のコードでは、元のAttention Map（サイズ14x14）を平均し1次元のマップを作成していますが、2次元のアテンションマップを保持し、これを元画像（224x224）のサイズに拡大するコードを以下に示します。

```python
import matplotlib.pyplot as plt
import torch

# ランダムに10個の画像を選択
images, labels = next(iter(valid_loader))
images = images[:10].to(device)
labels = labels[:10]

#逆正規化
inv_normalize = transforms.Normalize(
   mean=[-0.485/0.229, -0.456/0.224, -0.406/0.225],
   std=[1/0.229, 1/0.224, 1/0.225]
)

#推論を実行
with torch.no_grad():
    outputs = model(images)
    _, preds = torch.max(outputs.logits, 1)
    attention_map = outputs.attentions

#各画像ごとに処理
for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
    # 全ヘッドの注目度を平均化して、1つの注目マップを取得
    att_map = attention_map[-1][0, i].mean(dim=0).cpu()
    #元の画像を取得
    img = inv_normalize(image)
    img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()
    #注目マップを画像と同じサイズにスケーリング
    att_map = torch.nn.functional.interpolate(att_map.unsqueeze(0).unsqueeze(0), size=img.shape[:2], mode='bilinear', align_corners=False).squeeze(0).squeeze(0)
    att_map = att_map.detach().numpy()
    #画像表示
    fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    axs[0].imshow(img.clip(0, 1))
    axs[0].set_title(f"Predicted: {label.item()}")
    axs[1].imshow(att_map, cmap='jet')
    axs[1].set_title("Attention Map")
    plt.show()
```

デフォルトのresize操作はピクセル間のリニア補完を提供しません。そのため、機能マップの拡大には`torch.nn.functional.interpolate`を使用します。この関数は、任意のサイズへのリサイズに対応したアップサンプリング方法を提供します。

---

### **user**:

ありがとうございます。ファインチューニング後のモデルを用いて、ランダムに選んだ１０個の画像に対して予測を行い、その画像のどこに注目して予測を行ったか可視化するコードを書いてください。
- Attention Map を１次元ではなく２次元にしてください。
- ２次元のAttention Mapのサイズを元画像と同じにしてください。
- 上記コードをベースに、次のエラーを修正した全コードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
ValueError                                Traceback (most recent call last)
Cell In[6], line 29
     27 img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()
     28 #注目マップを画像と同じサイズにスケーリング
---> 29 att_map = torch.nn.functional.interpolate(att_map.unsqueeze(0).unsqueeze(0), size=img.shape[:2], mode='bilinear', align_corners=False).squeeze(0).squeeze(0)
     30 att_map = att_map.detach().numpy()
     31 #画像表示

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/torch/nn/functional.py:3916, in interpolate(input, size, scale_factor, mode, align_corners, recompute_scale_factor, antialias)
   3914 if isinstance(size, (list, tuple)):
   3915     if len(size) != dim:
-> 3916         raise ValueError(
   3917             "Input and output must have the same number of spatial dimensions, but got "
   3918             f"input with spatial dimensions of {list(input.shape[2:])} and output size of {size}. "
   3919             "Please provide input tensor in (N, C, d1, d2, ...,dK) format and "
   3920             "output size in (o1, o2, ...,oK) format."
   3921         )
   3922     if not torch.jit.is_scripting():
   3923         if not all(_is_integer(x) for x in size):

ValueError: Input and output must have the same number of spatial dimensions, but got input with spatial dimensions of [197] and output size of (224, 224). Please provide input tensor in (N, C, d1, d2, ...,dK) format and output size in (o1, o2, ...,oK) format.
```

---

### **assistant**:

このエラーは`torch.nn.functional.interpolate`関数が期待する入力と出力の形式が一致しないために起こっています。エラーメッセージによると、入力テンソルの空間次元が[197]で、出力サイズが(224, 224)となっています。この問題は、注目度マップ`att_map`が2次元でないために起きています。

上記のコードでは注目度マップ`att_map`は1次元のテンソルですが、これを2次元のテンソルに変換する必要があります。そのためには、注目度マップの作成部分(`att_map = attention_map[-1][0, i].cpu()`)が 2次元テンソルを返すように修正する必要があります。

また予測ラベルが10個の数字で出力されますが、それが何を意味するかを知るためには`CIFAR10`の公式ドキュメンテーションを参照してください。

以下に修正したコードを示します：

```python
import matplotlib.pyplot as plt
import torch

# ランダムに10個の画像を選択
images, labels = next(iter(valid_loader))
images = images[:10].to(device)
labels = labels[:10]

#逆正規化
inv_normalize = transforms.Normalize(
   mean=[-0.485/0.229, -0.456/0.224, -0.406/0.225],
   std=[1/0.229, 1/0.224, 1/0.225]
)

#推論を実行
with torch.no_grad():
    outputs = model(images)
    _, preds = torch.max(outputs.logits, 1)
    attention_map = outputs.attentions

#各画像ごとに処理
for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
    # 全ヘッドの注目度を平均化して、1つの注目マップを取得し、テンソルの形を調整する
    att_map = attention_map[-1][0, i].mean(dim=0).unsqueeze(0).unsqueeze(0).cpu()
    
    #元の画像を取得
    img = inv_normalize(image)
    img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()

    #注目マップを画像と同じサイズにスケーリング
    att_map = torch.nn.functional.interpolate(att_map, size=img.shape[:2], mode='bilinear', align_corners=False).squeeze(0).squeeze(0)
    att_map = att_map.detach().numpy()

    #画像表示
    fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    axs[0].imshow(img.clip(0, 1))
    axs[0].set_title(labels[i].item())
    axs[1].imshow(att_map, cmap='jet')
    axs[1].set_title("Attention Map")
    plt.show()
```
注目度マップを作成する行では、`view`メソッドを使用してテンソルの形を調整し、2次元テンソル（具体的には1x1x14x14の形）にしています。

---

### **user**:

ありがとうございます。ファインチューニング後のモデルを用いて、ランダムに選んだ１０個の画像に対して予測を行い、その画像のどこに注目して予測を行ったか可視化するコードを書いてください。

- Attention Map を１次元ではなく２次元にしてください。
- ２次元のAttention Mapのサイズを元画像と同じにしてください。
- 上記コードをベースに、次のエラーを修正した全コードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
ValueError                                Traceback (most recent call last)
Cell In[8], line 31
     28 img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()
     30 #注目マップを画像と同じサイズにスケーリング
---> 31 att_map = torch.nn.functional.interpolate(att_map, size=img.shape[:2], mode='bilinear', align_corners=False).squeeze(0).squeeze(0)
     32 att_map = att_map.detach().numpy()
     34 #画像表示

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/torch/nn/functional.py:3916, in interpolate(input, size, scale_factor, mode, align_corners, recompute_scale_factor, antialias)
   3914 if isinstance(size, (list, tuple)):
   3915     if len(size) != dim:
-> 3916         raise ValueError(
   3917             "Input and output must have the same number of spatial dimensions, but got "
   3918             f"input with spatial dimensions of {list(input.shape[2:])} and output size of {size}. "
   3919             "Please provide input tensor in (N, C, d1, d2, ...,dK) format and "
   3920             "output size in (o1, o2, ...,oK) format."
   3921         )
   3922     if not torch.jit.is_scripting():
   3923         if not all(_is_integer(x) for x in size):

ValueError: Input and output must have the same number of spatial dimensions, but got input with spatial dimensions of [197] and output size of (224, 224). Please provide input tensor in (N, C, d1, d2, ...,dK) format and output size in (o1, o2, ...,oK) format.
```

---

### **assistant**:

こちらのエラーについて確認します。エラーメッセージによると、`interpolate`関数への入力の空間次元が[197]で、出力のサイズが (224, 224) に設定されています。このエラーは、`interpolate`関数が、入力と出力の両方が同じ次元であることを期待しているために発生します。

このエラーを解決するために、最初に注意マップ（att_map）が正しく2次元になっていることを確認します。入力tensorが(N, C, H, W)の形式である必要がありますが、ここでNはバッチの大きさ、Cはチャンネルの数、HとWは画像の高さと幅を指します。

次に、この2次元の注意マップを`interpolate`関数を使ってリサイズします。この関数は元の画像の高さと幅（つまり、(224, 224)）に注意マップをリサイズします。

修正したコードは以下のようになります。

```python
import matplotlib.pyplot as plt
import torch

# ランダムに10個の画像を選択
images, labels = next(iter(valid_loader))
images = images[:10].to(device)
labels = labels[:10]

#逆正規化
inv_normalize = transforms.Normalize(
   mean=[-0.485/0.229, -0.456/0.224, -0.406/0.225],
   std=[1/0.229, 1/0.224, 1/0.225]
)

#推論を実行
with torch.no_grad():
    outputs = model(images)
    _, preds = torch.max(outputs.logits, 1)
    attention_map = outputs.attentions

#各画像ごとに処理
for i, (image, label) in enumerate(zip(images, preds)):
    # 全ヘッドの注目度を平均化して、1つの注目マップを取得し、テンソルの形を調整する
    att_map = attention_map[-1][0, i].mean(dim=0).unsqueeze(0).unsqueeze(1).cpu()
    
    #元の画像を取得
    img = inv_normalize(image)
    img = img.cpu().permute(1,2,0).numpy()

    #注目マップを画像と同じサイズにスケーリング
    att_map = torch.nn.functional.interpolate(att_map, size=img.shape[:2], mode='bilinear', align_corners=False).squeeze(0).squeeze(0)
    att_map = att_map.detach().numpy()

    #画像表示
    fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
    axs[0].imshow(img.clip(0, 1))
    axs[0].set_title(f"Predicted: {label.item()}")
    axs[1].imshow(att_map, cmap='jet')
    axs[1].set_title("Attention Map")
    plt.show()
```
この修正で、「ValueError」の誤りが解消され、注意マップが正しく可視化されるはずです。ただし、上のコードは`torchvision.models.resnet50(pretrained=True)`を使用しています。モデルによっては出力形式が異なる可能性があるため、注意深くコードを適応してください。

---

### **user**:

全然治らないようですね。エラーメッセージも変わらないように見えます。

---

### **assistant**:

すみません、間違いがありました。このエラーはおそらく予測モデルがTransformerベースのもの（例えばBERTなど）で、そのアテンションマップがテキスト系のモデルなら1次元（系列の長さ）、
画像系のモデルなら通常2次元（画像の縦と横）となるはずなのですが、アテンションマップが1次元しかないということは、画像の縦横の情報が落ちてしまっている可能性があります。

アテンションマップが2次元になっているか、まずは確認してみましょう：

```python
print(attention_map[-1][0, i].mean(dim=0).shape)
```

Transformerベースのモデルを画像用に改変しているならば、そのアテンションマップはどういう形状になっているのか、確認してみてください。後の可視化のステップに進む前にまずはそのパートから始めていただくのが良いと思われます。

---

### **user**:

次の結果が得られました。

```
torch.Size([197])
```

---

### **assistant**:

結果出力から見ると、アテンションマップは1次元テンソルのようです。しかし、そもそもの要求が``Attention Map を１次元ではなく２次元にしてください。２次元のAttention Mapのサイズを元画像と同じにしてください。"ということなので、ここで、1次元から2次元への変換が可能なのか否か、どのようにすることができるのかといったところが課題となってくるでしょう。

しかし、原則として、このように1次元のデータを2次元に変換することは困難です。なぜならば、元の画像の情報（縦横の情報）を既に失ってしまっているからです。従って、この問題を解決するためには、最初から2次元のアテンションマップを取得することが必要です。具体的な方法は、使用しているモデルやフレームワークによるので、一概には答えられません。

なお、Spatial Transformer Networks(STN)のようなアーキテクチャは、入力テンソルを指定した形状に変形するために使用されますが、この場合でも元の空間的な情報が既にないテンソルに対して適用することはできません。

したがって、結論としては、まず入力がどのようにネットワークに入力され、どのようにエンコードされるのか、またその後のプロセスを理解し、さらにそのエンコーディングがアテンションマップにどのように反映されているのか、といったところから始められればと思います。

---

### **user**:

もともと２次元の画像のデータを取り扱っていたはずなのに、アテンションマップは１次元だったんですね。

---

### **assistant**:

はい、その通りですが、これはモデルの設計によるものです。Transformersはもともとテキストを扱うために設計されています。テキストデータは1次元（単語や文字の系列）ですので、出力されるアテンションマップも1次元になります。

画像を扱う場合、一般的にはまず画像をフラット化（1次元化）してからTransformersに入力します。それにより、出力されるアテンションマップも1次元になります。

ただし、最近では画像の特性（2次元データ）を活かすために、新たなTransformerベースのモデルが研究されています。Vision Transformer(ViT)やImage Transformerなどがその例として挙げられます。これらのモデルでは、2次元の画像を1次元にフラット化せず、2次元のままTransformerに入力します。その結果、出力されるアテンションマップも2次元になります。そのため、もしこうしたモデルを使用している場合、アテンションマップが1次元になってしまっているという問題は発生しません。

この情報が参考になれば幸いです。

---

### **user**:

今回用いたのは google/vit-base-patch16-224 のはずですが、これは Vision Transformer(ViT)やImage Transformer ではない、ということでしょうか？

---

### **assistant**:

おっしゃるとおり`google/vit-base-patch16-224`はVision Transformer (ViT) と呼ばれるモデルです。ViT モデルはまず画像を複数のパッチに分割し、各パッチを1次元のベクトルにフラット化してからTransformerに入力します。これにより、ViTは各パッチ間の関係を学習することができます。

ただし、各パッチを1次元ベクトルにフラット化しているため、出力されるアテンションマップは画像全体の一部に対応するものではなく、各パッチに対応するものとなります。

この設定でアテンションマップを2次元にするには、一つ一つのパッチの位置に応じてアテンションマップの値をレイアウトする必要があります。その際、パッチ間の間隔（すなわち画像のフラット化によって失われた空間情報）を考慮する必要があります。なおこの供述はあくまで推測の範囲内であり、具体的な対応についてはViTを設計した団体やコミュニティに問い合わせることをお勧めします。

結局のところ、1次元のアテンションマップを2次元の画像と同じサイズに直接リサイズするのは難しく、またその結果は元の画像の特性を正確に反映しない可能性が高いことを理解していただければと思います。

---

### **user**:

分かりました。ありがとうございます！大変勉強になりました！

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### **assistant**:

どういたしまして！ お力になれてうれしいです。他に質問がありましたら、何でも遠慮なくお聞きください。プログラミングや機械学習に関する問題の解決に全力でお手伝いします。良い一日をお過ごしください！

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### **user**:

ところでImageNetのデータセットには、ロードローラーのデータはありますか？

---

### **assistant**:

ImageNetのデータセットは非常に幅広く、様々なカテゴリの画像を含んでいます。具体的に「ロードローラー」のカテゴリが存在するか確認するには、ImageNetのラベルリストを確認する必要があります。

しかし残念ながら、私の知る限りでは、ImageNetの1000クラスは具体的な「ロードローラー」のカテゴリは含んでいません。（もっと広範なカテゴリの「車両」や「建設機械」などはあります）

最終的には、公式のImageNetのウェブサイトまたは記述を調査するか、ImageNetを提供するAPIを使用して特定のカテゴリが含まれているかを確認してみてください。

なお、特定のカテゴリの画像が必要な場合には他のデータセットを探すか、自前でデータを収集することを検討することも1つの手段です。

---

### **user**:

分かりました。ロードローラーかどうかを判定して、ロードローラーの画像が来たら「ロードローラーだッ！」と教えてくれる分類モデルを作りたかったんですが、簡単ではなさそうですね。

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### **assistant**:

そうですね、ImageNetのデータセットだけでは「ロードローラー」の特定は難しいかもしれません。しかし、それは決して不可能ではないと思います。

以下にいくつかの方法を提案します：

1. 別のデータセットを探す：ImageNet以外にも多くの画像データセットが公開されています。[COCO](https://cocodataset.org/#home)、[Open Images](https://storage.googleapis.com/openimages/web/index.html)、[Visual Genome](https://visualgenome.org/)などを調べてみてください。
2. データを自分で集める：自分でウェブから画像を集めることも可能です。ただし、著作権やプライバシーの問題に注意する必要があります。画像をスクレイピングするためのツールやAPIがいくつかあります（Bing Image Search API、Google Custom Search JSON APIなど）。
3. 弱教師あり学習（Weakly Supervised Learning）：例えば、「建設機械」や「車両」という広いカテゴリでまず学習させ、その後、転移学習やファインチューニングの手法を用いて、収集したロードローラーの画像で学習を行う。

どの方法を選択するかはプロジェクトの要件や利用可能なリソースによると思いますが、楽しみながら学ぶことができると良いですね！以上、参考になれば幸いです。

---