ResNet-50を使った画像エンベディング

ResNet-50を使用した画像エンベディングは、画像の特徴ベクトルを抽出するための効果的な手法です。この記事では、ResNet-50モデルによる画像エンベディングの実装方法と、最近のHugging Faceモデルハブの活用について紹介します。また、エンベディングの基本概念と応用についても触れます。

## エンベディングとは

エンベディングは、複雑なデータ（テキスト、画像、音声など）を数値ベクトルに変換する技術です。これにより、機械学習モデルがデータを効率的に処理し、意味のある特徴を抽出することができます。

エンベディングの主な利点：
1. 次元削減：高次元のデータを低次元の表現に変換
2. 意味の保持：類似のデータ点は埋め込み空間で近くに配置される
3. 効率的な計算：ベクトル演算を用いて高速に類似性を計算可能

## ResNet-50によるエンベディング

ResNet-50は、深層残差学習を用いた50層の畳み込みニューラルネットワークです。このモデルは、画像認識タスクで高い性能を発揮し、特徴抽出にも広く使用されています。

### Hugging Faceモデルの使用方法

Hugging Faceが提供するResNet-50モデルを使用して画像エンベディングを行うには、以下の手順に従います：

#### 1. 必要なライブラリのインストール:

MacOSの方はこちらも参考にどうぞ

https://qiita.com/yo-naka/items/8f6903c425ad3bdba344

```
pip install transformers torch datasets
```

#### 2. モデルの使用:

```python
from transformers import AutoImageProcessor, ResNetModel
from datasets import load_dataset
import torch.nn.functional as F

# 画像の読み込み
dataset = load_dataset("huggingface/cats-image", trust_remote_code=True)
image = dataset["test"]["image"][0]
```

画像を表示する場合は下記のようにします
```python
import matplotlib.pyplot as plt

# 画像の表示
plt.figure(figsize=(10, 10))
plt.imshow(image)
plt.axis('off')
plt.show()
```

```python
# モデルとプロセッサの準備
processor = AutoImageProcessor.from_pretrained("microsoft/resnet-50")
model = ResNetModel.from_pretrained("microsoft/resnet-50")

# 画像の前処理とモデルへの入力
inputs = processor(image, return_tensors="pt")

# 推論
with torch.no_grad():
    outputs = model(**inputs, output_hidden_states=True)
    last_layer = outputs.last_hidden_state

resnet_embeddings = F.adaptive_avg_pool2d(last_layer, (1, 1)) #空間次元（高さと幅）を1x1に縮小
resnet_embeddings = torch.flatten(resnet_embeddings, start_dim=1, end_dim=3) #テンソルを平坦化（フラット化）
embedding = resnet_embeddings.cpu().numpy() #テンソルをCPUメモリに移動し、NumPy配列に変換

# エンベディングの表示
print(f"Embedding shape: {embedding.shape}")
print(f"Embedding values (first 100): {embedding[0, :100]}")
```

```
Embedding shape: (1, 2048)
Embedding values (first 100): [0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 7.28523806e-02 8.15661699e-02
 4.91580442e-02 0.00000000e+00 0.00000000e+00 3.42740975e-02
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 9.42076929e-03 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 4.84149009e-02 0.00000000e+00 1.09393317e-02
 5.89189352e-03 1.94402449e-02 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 1.93737317e-02 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00 1.07456224e-04
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 2.86636688e-02 4.65828739e-03
 0.00000000e+00 2.35859845e-02 4.15987987e-03 0.00000000e+00
 1.15672604e-03 1.17781328e-03 0.00000000e+00 3.25657785e-01
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 2.20649406e-01 1.67979468e-02 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 5.42460158e-02 0.00000000e+00 0.00000000e+00 7.54633592e-03
 7.79886032e-03 0.00000000e+00 1.91609532e-01 0.00000000e+00
 4.39422484e-03 0.00000000e+00 8.39118194e-03 7.78694525e-02
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 4.73356294e-03 0.00000000e+00
 6.58283904e-02 5.64184822e-02 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 3.80147472e-02 6.41826689e-01 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 4.62968787e-03 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 1.22151881e-01 5.18534929e-02 9.52685159e-03 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00 5.71775669e-03
 0.00000000e+00 3.66955134e-03 0.00000000e+00 0.00000000e+00
 6.49329694e-03 0.00000000e+00 1.13831542e-01 0.00000000e+00
 0.00000000e+00 0.00000000e+00 0.00000000e+00 1.99685600e-02]
```



### ポイント

- Microsoft提供のResNet-50モデルを使用
- Hugging Faceの`transformers`ライブラリを活用
- **ImageNet分類の結果を返す一つ前の層をエンベディングとして取得**

### カスタマイズ

Hugging Faceのモデルハブには、様々なタスクや言語に特化したResNet-50の派生モデルが公開されています。目的に応じて適切なモデルを選択することで、より精度の高い結果を得ることができます。

## エンベディングの再現性の確保

画像エンベディングの長期的な再現性を確保することは重要な課題です。特に、画像類似性比較などのサービスを実装する際には、エンベディングの一貫性が求められます。以下に、再現性を確保するための方法を紹介します：

1. モデルとウェイトのローカル保存：
   - Hugging Faceから取得したResNet-50モデルとそのウェイトをローカルに保存します。
   - これにより、外部ソースに依存せず、常に同じモデルバージョンを使用できます。

2. モデルアーキテクチャの固定：
   - モデルの構造を明示的に定義し、変更がないようにします。
   - モデルの設定をバージョン管理システムで管理することも有効です。

3. 入力データの前処理の標準化：
   - 画像のリサイズ、正規化などの前処理手順を厳密に定義し、一貫して適用します。

4. 乱数シードの固定：
   - モデルの初期化や学習プロセスで使用される乱数シードを固定します。

5. 環境の一貫性：
   - 使用するライブラリのバージョンを固定し、環境を再現可能にします。
   - Docker等のコンテナ技術を利用して、実行環境を完全に制御することも効果的です。

6. バージョン管理と文書化：
   - モデル、データ、コードのバージョンを明確に管理し、文書化します。
   - 各バージョンでの変更点や特性を記録し、追跡可能にします。

長期にわたって再現可能な画像エンベディングを生成するには、これらの点に注意が必要です。

## エンベディングの可視化と分析

ResNet-50によるエンベディングの効果を理解するために、可視化と分析が重要です。最近の研究では、UMAPを使用してエンベディングの次元を削減し、2D空間で視覚化する手法が注目されています。

1. クラスター形成：同じクラスの画像は、エンベディング空間で近くに集まる傾向があります。
2. クラス分離：異なるクラスは、ある程度分離されていますが、一部のクラスは重なりがあります。
3. 異常値検出：クラスターから離れた点は、潜在的な異常値や誤分類された画像を示唆する可能性があります。
4. 類似性の理解：近接する点は、特徴空間で類似した画像を表しています。

この種の可視化は、モデルの性能評価、データセットの構造理解、そして潜在的な問題点の特定に役立ちます。

## エンベディングの応用

画像エンベディングは以下のような分野で広く応用されています：

1. 類似画像検索：エンベディング間の距離を計算して類似画像を見つける
2. 画像分類：エンベディングを入力として使用し、画像をカテゴリに分類する
3. 異常検出：通常のデータポイントから大きく外れたエンベディングを検出する
4. 推薦システム：ユーザーの好みに近い画像を推薦する
5. 画像検索エンジン：大規模な画像データベースから効率的に類似画像を検索する
6. 画像クラスタリング：類似の画像をグループ化し、データセットの構造を理解する

## まとめ

ResNet-50を使用した画像エンベディングは、画像の特徴抽出に非常に効果的です。Hugging Faceのモデルハブを活用することで、高性能なResNet-50モデルを簡単に利用できるようになりました。これにより、複雑なモデルの実装を簡略化し、高度な画像処理パイプラインを迅速に構築できます。

エンベディングの概念を理解し、適切なツールを使用することで、画像検索、類似画像検出、画像分類など、様々な応用分野で高度な画像処理システムを構築することができます。さらに、エンベディングの再現性を確保するための方法を実践することで、長期的に安定したサービスを提供することが可能になります。

UMAPなどの次元削減技術を用いたエンベディングの可視化は、モデルの性能や特徴空間の構造を理解する上で非常に有用です。これにより、モデルの改善点や潜在的な問題を特定し、より効果的な画像処理システムの開発につながります。

今後も、エンベディング技術の進化により、より精度の高い画像解析や効率的なデータ処理が可能になると期待されています。同時に、モデルの解釈可能性や公平性など、エンベディングの品質と信頼性に関する研究も進んでいくでしょう。

## 参考文献
1. [microsoft/resnet-50 · Hugging Face](https://huggingface.co/microsoft/resnet-50) (アクセス日: 2024-08-13)
2. [Deep Residual Learning for Image Recognition](https://arxiv.org/abs/1512.03385) (アクセス日: 2024-08-13)
3. [Hugging Face Transformers Documentation](https://huggingface.co/docs/transformers/index) (アクセス日: 2024-08-13)
4. [AI foundations: Understanding embeddings](https://labelbox.com/guides/ai-foundations-understanding-embeddings/) (アクセス日: 2024-08-13)
5. [Computer Vision Tool for Detection, Mapping and Fault Classification of PV Modules in Aerial IR Videos](https://www.researchgate.net/publication/352399572_Computer_Vision_Tool_for_Detection_Mapping_and_Fault_Classification_of_PV_Modules_in_Aerial_IR_Videos) (アクセス日: 2024-08-13)