《------往期经典推荐------》

一、AI应用软件开发实战专栏【链接】

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1.【人脸识别与管理系统开发】2.【车牌识别与自动收费管理系统开发】
3.【手势识别系统开发】4.【人脸面部活体检测系统开发】
5.【图片风格快速迁移软件开发】6.【人脸表表情识别系统】
7.【YOLOv8多目标识别与自动标注软件开发】8.【基于深度学习的行人跌倒检测系统】
9.【基于深度学习的PCB板缺陷检测系统】10.【基于深度学习的生活垃圾分类目标检测系统】
11.【基于深度学习的安全帽目标检测系统】12.【基于深度学习的120种犬类检测与识别系统】
13.【基于深度学习的路面坑洞检测系统】14.【基于深度学习的火焰烟雾检测系统】
15.【基于深度学习的钢材表面缺陷检测系统】16.【基于深度学习的舰船目标分类检测系统】
17.【基于深度学习的西红柿成熟度检测系统】18.【基于深度学习的血细胞检测与计数系统】
19.【基于深度学习的吸烟/抽烟行为检测系统】20.【基于深度学习的水稻害虫检测与识别系统】
21.【基于深度学习的高精度车辆行人检测与计数系统】22.【基于深度学习的路面标志线检测与识别系统】
23.【基于深度学习的智能小麦害虫检测识别系统】24.【基于深度学习的智能玉米害虫检测识别系统】
25.【基于深度学习的200种鸟类智能检测与识别系统】26.【基于深度学习的45种交通标志智能检测与识别系统】
27.【基于深度学习的人脸面部表情识别系统】28.【基于深度学习的苹果叶片病害智能诊断系统】
29.【基于深度学习的智能肺炎诊断系统】30.【基于深度学习的葡萄簇目标检测系统】
31.【基于深度学习的100种中草药智能识别系统】32.【基于深度学习的102种花卉智能识别系统】
33.【基于深度学习的100种蝴蝶智能识别系统】34.【基于深度学习的水稻叶片病害智能诊断系统】
35.【基于与ByteTrack的车辆行人多目标检测与追踪系统】36.【基于深度学习的智能草莓病害检测与分割系统】
37.【基于深度学习的复杂场景下船舶目标检测系统】38.【基于深度学习的农作物幼苗与杂草检测系统】
39.【基于深度学习的智能道路裂缝检测与分析系统】40.【基于深度学习的葡萄病害智能诊断与防治系统】
41.【基于深度学习的遥感地理空间物体检测系统】42.【基于深度学习的无人机视角地面物体检测系统】
43.【基于深度学习的木薯病害智能诊断与防治系统】44.【基于深度学习的野外火焰烟雾检测系统】
45.【基于深度学习的脑肿瘤智能检测系统】46.【基于深度学习的玉米叶片病害智能诊断与防治系统】
47.【基于深度学习的橙子病害智能诊断与防治系统】48.【基于深度学习的车辆检测追踪与流量计数系统】
49.【基于深度学习的行人检测追踪与双向流量计数系统】50.【基于深度学习的反光衣检测与预警系统】
51.【基于深度学习的危险区域人员闯入检测与报警系统】52.【基于深度学习的高密度人脸智能检测与统计系统】
53.【基于深度学习的CT扫描图像肾结石智能检测系统】54.【基于深度学习的水果智能检测系统】
55.【基于深度学习的水果质量好坏智能检测系统】56.【基于深度学习的蔬菜目标检测与识别系统】
57.【基于深度学习的非机动车驾驶员头盔检测系统】58.【太基于深度学习的阳能电池板检测与分析系统】
59.【基于深度学习的工业螺栓螺母检测】60.【基于深度学习的金属焊缝缺陷检测系统】
61.【基于深度学习的链条缺陷检测与识别系统】62.【基于深度学习的交通信号灯检测识别】
63.【基于深度学习的草莓成熟度检测与识别系统】64.【基于深度学习的水下海生物检测识别系统】
65.【基于深度学习的道路交通事故检测识别系统】66.【基于深度学习的安检X光危险品检测与识别系统】
67.【基于深度学习的农作物类别检测与识别系统】68.【基于深度学习的危险驾驶行为检测识别系统】
69.【基于深度学习的维修工具检测识别系统】70.【基于深度学习的维修工具检测识别系统】
71.【基于深度学习的建筑墙面损伤检测系统】72.【基于深度学习的煤矿传送带异物检测系统】
73.【基于深度学习的老鼠智能检测系统】74.【基于深度学习的水面垃圾智能检测识别系统】
75.【基于深度学习的遥感视角船只智能检测系统】76.【基于深度学习的胃肠道息肉智能检测分割与诊断系统】
77.【基于深度学习的心脏超声图像间隔壁检测分割与分析系统】78.【基于深度学习的心脏超声图像间隔壁检测分割与分析系统】
79.【基于深度学习的果园苹果检测与计数系统】80.【基于深度学习的半导体芯片缺陷检测系统】
81.【基于深度学习的糖尿病视网膜病变检测与诊断系统】82.【基于深度学习的运动鞋品牌检测与识别系统】
83.【基于深度学习的苹果叶片病害检测识别系统】84.【基于深度学习的医学X光骨折检测与语音提示系统】
85.【基于深度学习的遥感视角农田检测与分割系统】86.【基于深度学习的运动品牌LOGO检测与识别系统】
87.【基于深度学习的电瓶车进电梯检测与语音提示系统】88.【基于深度学习的遥感视角地面房屋建筑检测分割与分析系统】
89.【基于深度学习的医学CT图像肺结节智能检测与语音提示系统】90.【基于深度学习的舌苔舌象检测识别与诊断系统】
91.【基于深度学习的蛀牙智能检测与语音提示系统】92.【基于深度学习的皮肤癌智能检测与语音提示系统】

二、机器学习实战专栏【链接】,已更新31期,欢迎关注,持续更新中~~
三、深度学习【Pytorch】专栏【链接】
四、【Stable Diffusion绘画系列】专栏【链接】
五、YOLOv8改进专栏【链接】,持续更新中~~
六、YOLO性能对比专栏【链接】,持续更新中~

《------正文------》

引言

深度学习目标检测模型绘制图像热力图(Heatmap)的主要作用是直观展示模型对图像中不同区域的关注程度,从而帮助理解模型的决策依据、并增强模型的可解释性。热力图通过颜色深浅(如红色代表高激活,蓝色代表低激活)标记模型对目标位置的敏感区域。
本文主要介绍如何用自己训练好的YOLO11目标检测模型,绘制图像的热力图。

热力图效果

下面是几张图片的热力图绘制效果,通过热力图我们可以很清楚的看到模型所关注的区域为红色,不关注的区域为蓝色。
在这里插入图片描述

实现源码

下面是实现YOLO11热力图绘制的主要代码:

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
warnings.simplefilter('ignore')
import torch, yaml, cv2, os, shutil, sys
import numpy as np
np.random.seed(0)
import matplotlib.pyplot as plt
from tqdm import trange
from PIL import Image
from ultralytics.nn.tasks import attempt_load_weights
from ultralytics.utils.torch_utils import intersect_dicts
from ultralytics.utils.ops import xywh2xyxy, non_max_suppression
from pytorch_grad_cam import GradCAMPlusPlus, GradCAM, XGradCAM, EigenCAM, HiResCAM, LayerCAM, RandomCAM, EigenGradCAM
from pytorch_grad_cam.utils.image import show_cam_on_image, scale_cam_image
from pytorch_grad_cam.activations_and_gradients import ActivationsAndGradients

def letterbox(im, new_shape=(640, 640), color=(114, 114, 114), auto=True, scaleFill=False, scaleup=True, stride=32):
    # Resize and pad image while meeting stride-multiple constraints
    shape = im.shape[:2]  # current shape [height, width]
    if isinstance(new_shape, int):
        new_shape = (new_shape, new_shape)

    # Scale ratio (new / old)
    r = min(new_shape[0] / shape[0], new_shape[1] / shape[1])
    if not scaleup:  # only scale down, do not scale up (for better val mAP)
        r = min(r, 1.0)

    # Compute padding
    ratio = r, r  # width, height ratios
    new_unpad = int(round(shape[1] * r)), int(round(shape[0] * r))
    dw, dh = new_shape[1] - new_unpad[0], new_shape[0] - new_unpad[1]  # wh padding
    if auto:  # minimum rectangle
        dw, dh = np.mod(dw, stride), np.mod(dh, stride)  # wh padding
    elif scaleFill:  # stretch
        dw, dh = 0.0, 0.0
        new_unpad = (new_shape[1], new_shape[0])
        ratio = new_shape[1] / shape[1], new_shape[0] / shape[0]  # width, height ratios

    dw /= 2  # divide padding into 2 sides
    dh /= 2

    if shape[::-1] != new_unpad:  # resize
        im = cv2.resize(im, new_unpad, interpolation=cv2.INTER_LINEAR)
    top, bottom = int(round(dh - 0.1)), int(round(dh + 0.1))
    left, right = int(round(dw - 0.1)), int(round(dw + 0.1))
    im = cv2.copyMakeBorder(im, top, bottom, left, right, cv2.BORDER_CONSTANT, value=color)  # add border
    return im, ratio, (dw, dh)

class ActivationsAndGradients:
    """ Class for extracting activations and
    registering gradients from targetted intermediate layers """

    def __init__(self, model, target_layers, reshape_transform):
        self.model = model
        self.gradients = []
        self.activations = []
        self.reshape_transform = reshape_transform
        self.handles = []
        for target_layer in target_layers:
            self.handles.append(
                target_layer.register_forward_hook(self.save_activation))
            # Because of https://github.com/pytorch/pytorch/issues/61519,
            # we don't use backward hook to record gradients.
            self.handles.append(
                target_layer.register_forward_hook(self.save_gradient))

    def save_activation(self, module, input, output):
        activation = output

        if self.reshape_transform is not None:
            activation = self.reshape_transform(activation)
        self.activations.append(activation.cpu().detach())

    def save_gradient(self, module, input, output):
        if not hasattr(output, "requires_grad") or not output.requires_grad:
            # You can only register hooks on tensor requires grad.
            return

        # Gradients are computed in reverse order
        def _store_grad(grad):
            if self.reshape_transform is not None:
                grad = self.reshape_transform(grad)
            self.gradients = [grad.cpu().detach()] + self.gradients

        output.register_hook(_store_grad)

    def post_process(self, result):
        logits_ = result[:, 4:]
        boxes_ = result[:, :4]
        sorted, indices = torch.sort(logits_.max(1)[0], descending=True)
        return torch.transpose(logits_[0], dim0=0, dim1=1)[indices[0]], torch.transpose(boxes_[0], dim0=0, dim1=1)[indices[0]], xywh2xyxy(torch.transpose(boxes_[0], dim0=0, dim1=1)[indices[0]]).cpu().detach().numpy()
  
    def __call__(self, x):
        self.gradients = []
        self.activations = []
        model_output = self.model(x)
        post_result, pre_post_boxes, post_boxes = self.post_process(model_output[0])
        return [[post_result, pre_post_boxes]]

    def release(self):
        for handle in self.handles:
            handle.remove()

class yolov8_target(torch.nn.Module):
    def __init__(self, ouput_type, conf, ratio) -> None:
        super().__init__()
        self.ouput_type = ouput_type
        self.conf = conf
        self.ratio = ratio
    
    def forward(self, data):
        post_result, pre_post_boxes = data
        result = []
        for i in trange(int(post_result.size(0) * self.ratio)):
            if float(post_result[i].max()) < self.conf:
                break
            if self.ouput_type == 'class' or self.ouput_type == 'all':
                result.append(post_result[i].max())
            elif self.ouput_type == 'box' or self.ouput_type == 'all':
                for j in range(4):
                    result.append(pre_post_boxes[i, j])
        return sum(result)

class yolov11_heatmap:
    def __init__(self, weight, device, method, layer, backward_type, conf_threshold, ratio, show_box, renormalize):
        device = torch.device(device)
        ckpt = torch.load(weight)
        model_names = ckpt['model'].names
        model = attempt_load_weights(weight, device)
        model.info()
        for p in model.parameters():
            p.requires_grad_(True)
        model.eval()
        
        target = yolov8_target(backward_type, conf_threshold, ratio)
        target_layers = [model.model[l] for l in layer]
        method = eval(method)(model, target_layers)
        method.activations_and_grads = ActivationsAndGradients(model, target_layers, None)
        
        colors = np.random.uniform(0, 255, size=(len(model_names), 3)).astype(np.uint8)
        self.__dict__.update(locals())
    
    def post_process(self, result):
        result = non_max_suppression(result, conf_thres=self.conf_threshold, iou_thres=0.65)[0]
        return result

    def draw_detections(self, box, color, name, img):
        xmin, ymin, xmax, ymax = list(map(int, list(box)))
        cv2.rectangle(img, (xmin, ymin), (xmax, ymax), tuple(int(x) for x in color), 2)
        cv2.putText(img, str(name), (xmin, ymin - 5), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.8, tuple(int(x) for x in color), 2, lineType=cv2.LINE_AA)
        return img

    def renormalize_cam_in_bounding_boxes(self, boxes, image_float_np, grayscale_cam):
        """Normalize the CAM to be in the range [0, 1] 
        inside every bounding boxes, and zero outside of the bounding boxes. """
        renormalized_cam = np.zeros(grayscale_cam.shape, dtype=np.float32)
        for x1, y1, x2, y2 in boxes:
            x1, y1 = max(x1, 0), max(y1, 0)
            x2, y2 = min(grayscale_cam.shape[1] - 1, x2), min(grayscale_cam.shape[0] - 1, y2)
            renormalized_cam[y1:y2, x1:x2] = scale_cam_image(grayscale_cam[y1:y2, x1:x2].copy())    
        renormalized_cam = scale_cam_image(renormalized_cam)
        eigencam_image_renormalized = show_cam_on_image(image_float_np, renormalized_cam, use_rgb=True)
        return eigencam_image_renormalized
    
    def process(self, img_path, save_path):
        # img process
        img = cv2.imread(img_path)
        img = letterbox(img)[0]
        img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
        img = np.float32(img) / 255.0
        tensor = torch.from_numpy(np.transpose(img, axes=[2, 0, 1])).unsqueeze(0).to(self.device)
        
        try:
            grayscale_cam = self.method(tensor, [self.target])
        except AttributeError as e:
            return
        
        grayscale_cam = grayscale_cam[0, :]
        cam_image = show_cam_on_image(img, grayscale_cam, use_rgb=True)
        
        pred = self.model(tensor)[0]
        pred = self.post_process(pred)
        if self.renormalize:
            cam_image = self.renormalize_cam_in_bounding_boxes(pred[:, :4].cpu().detach().numpy().astype(np.int32), img, grayscale_cam)
        if self.show_box:
            for data in pred:
                data = data.cpu().detach().numpy()
                cam_image = self.draw_detections(data[:4], self.colors[int(data[4:].argmax())], f'{self.model_names[int(data[4:].argmax())]} {float(data[4:].max()):.2f}', cam_image)
        
        cam_image = Image.fromarray(cam_image)
        cam_image.save(save_path)
    
    def __call__(self, img_path, save_path, grad_name):
        # remove dir if exist
        # if os.path.exists(save_path):
        #     shutil.rmtree(save_path)
        # make dir if not exist
        if not os.path.exists(save_path):
            os.makedirs(save_path, exist_ok=True)

        if os.path.isdir(img_path):
            for img_path_ in os.listdir(img_path):
                name = img_path_.rsplit('.')[0]
                end_name = img_path_.rsplit('.')[-1]
                self.process(f'{img_path}/{img_path_}', f'{save_path}/{name}_{grad_name}.{end_name}')
        else:
            self.process(img_path, f'{save_path}/result_{grad_name}.png')
        
def get_params():
    # 绘制热力图方法列表
    grad_list = [
        'GradCAM',
        'GradCAMPlusPlus',
        'XGradCAM',
        'EigenCAM',
        'HiResCAM',
        'LayerCAM',
        'RandomCAM',
        'EigenGradCAM'
    ]
    # 自定义需要绘制热力图的层索引,可以用列表绘制不同层的热力图,单层或者多层都可以,如[9]或者[10, 12, 14, 16, 18]等,将多层的话会将结果进行汇总到一张图上
    # layers = [10, 12, 14, 16, 18]
    layers = [8]
    for grad_name in grad_list:
        params = {
            'weight': 'best.pt', # 训练好的权重路径
            'device': 'cpu',  # cpu或者cuda:0
            'method': grad_name, # GradCAMPlusPlus, GradCAM, XGradCAM, EigenCAM, HiResCAM, LayerCAM, RandomCAM, EigenGradCAM
            'layer': layers,  # 计算梯度的层, 指定层的索引
            'backward_type': 'class', # class, box, all
            'conf_threshold': 0.2, # 置信度阈值默认0.2, 根据情况调节
            'ratio': 0.02, # 建议0.02-0.1,取前多少数据,默认是0.02,只取置信度排序后的前百分之2的目标进行计算热力图。
            'show_box': True,  #是否显示检测框
            'renormalize': False   #是否优化热力图显示结果
        }
        yield params

if __name__ == '__main__':
    for each in get_params():
        model = yolov11_heatmap(**each)
        # model第一个参数:单张图片路径或者图片文件夹路径; 第二个参数:保存路径; 第三个参数:绘制热力图方法
        # model(r'images/00052.jpg', 'result', each['method'])
        model(r'images', 'result', each['method'])

主要参数说明:
get_params函数中的grad_list 为绘制热力图使用的方法,提供了8种基于梯度或特征激活的热力图生成方法,本脚本会绘制所有方法的热力图,图片保存的命名规则为图片名+热力图计算方法名称.jpg。;
layers为需要绘制的网络结构层索引,单层或者多层都可以,多层的话会将结果进行汇总到一张图上;
weight参数为训练好的权重路径;
show_box表示是否在热力图上显示检测框;
model函数的第一个参数为:单张图片路径或者图片文件夹路径; 第二个参数:保存热力图的结果路径;
我这里传入的是一个images文件夹路径,运行代码后,结果如下:
在这里插入图片描述
可以挑选比较好的热力图生成方法产生的结果进行展示。


在这里插入图片描述

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