蕭簫 魚羊 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
做計算機視覺，離不開CNN。
可是，卷積、池化、Softmax……究竟長啥樣，是怎樣相互連接在一起的？
對著代碼憑空想象，多少讓人有點頭皮微涼。於是，有人乾脆用Unity給它完整3D可視化了出來。
還不光是有個架子，訓練過程也都呈現得明明白白。
比如隨著epoch（迭代次數）的變化，訓練過程中各層出現的實時變化。
為了能更清楚地展示網絡細節，用戶還可以在其中自由地摺疊、擴展每個層。
比如將特徵圖在線性佈局和網格佈局之間轉換。
摺疊卷積層的特徵圖輸出。
對全連接層進行邊綁定（edge bunding）等等。
這樣的可視化圖像，可以通過加載TensorFlow的檢查點來構建。
也可以在Unity編輯器中設計。
是不是有點鵝妹子嚶那感覺了？
最近，這個項目又在社交媒體上火了起來。
網友們紛紛表示：
“要是能在訓練的時候看到這個過程，再長時間我也能忍啊。”
“求開源。”
該項目的作者，是一位來自維也納的3D特效師。
據他介紹，之所以創建這樣一個CNN可視化工具，是因為他自己初學神經網絡時，經常覺得很難理解卷積層之間是如何相互連接，又如何與不同類型的層連接的。
而該工具的主要功能包括，卷積、最大池化和完全連接層的可視化表示，以及各種能實現更清晰可視化的簡化機制等等。
總而言之，就是想讓初學者通過最直觀的方式，來get到CNN的重點。
如何用Unity搞出一個3D網絡
在正式上手Unity前，作者先在Houdini軟件中，搭建了一個可視化的3D網絡原型。
也就是說，先給Unity版3D網絡提供一個搭建思路，提前準備好實現展示卷積計算的方法、特徵圖的形狀、邊綁定的效果等問題。
它的節點編輯器長這樣：
然後，就可以在Unity上搭建3D神經網絡了。
首先，需要預設好神經網絡的“形狀”。
由於之前並沒有用過Unity，作者先學習了著色器和過程式幾何相關的知識。
這裡面，作者發現了一些侷限性，他採用的是Unity為著色器開發的語言Shaderlab，這個語言無法使用著色變化，只有對語義進行預定義的變量，才能讓它在頂點、幾何和像素著色器之間傳遞。
而且，它無法任意分配頂點屬性，只有位置、顏色、UV等預定義屬性。（可能這也是3D網絡無法實時改變顏色的原因之一）
在研究了一些實例化（instancing）相關的概念後，作者計劃採用幾何著色器的方法生成神經網絡的連線。其中起點和終點被傳遞到頂點著色器，並直接轉發到幾何著色器。
這些線，最多可以由120個頂點組成，因為Unity允許的幾何著色器能創建的變量的標量浮點數為1024。
設計後的網絡形狀，大致長這樣：
然後，就是從模型的TensorFlow代碼中，生成對應的3D神經網絡圖像。
其中，Tensorflow-native.ckpt格式的文件，需要存儲重構模型圖所需的數據、二進制的權重讀取和激活值，以及特定層的名字。
以Cifar10-greyscale數據集為例，需要編寫一個檢查點（checkpoint）文件，以及設置隨即初始化的權重。
在那之後，需要加載這些檢查點文件、啟動TensorFlow會話，輸入訓練示例，以便查詢每一層的激活函數。
然後編寫一個json文件，存儲每一層的形狀、名稱、權重和激活函數，便於讀取。然後使用權重值，將顏色數據分配給各層的Unity Mesh。
最終搞出來的效果，還是不錯的：
作者還錄了個開發視頻，在文末可以找到地址。
相關研究還不少
事實上，此前已經有不少學者，進行過神經網絡可視化的研究。
例如，去年5月，一位中國博士就可視化了卷積神經網絡，將每一層的變化都展示得非常清楚，只需要點擊對應的神經元，就能看見它的“操作”。
這是用TensorFlow.js加載的一個10層預訓練模型，相當於在瀏覽器上就能跑CNN模型，也可以實時交互，顯示神經元的變化。
不過，這還是個2D的項目。
目前，也已經有人像上面那個神經網絡模型一樣，做出了3D的可視化神經網絡:
這個項目，同樣用到了邊綁定、光線追蹤等技術，與特徵提取、微調和歸一化相結合，將神經網絡可視化。
這項項目希望能借由這些技術，來估計神經網絡中不同部分的重要性。
為此，作者將神經網絡的每一部分都用不同的顏色來表示，根據節點和節點在網絡中的重要性，來預測它們之間的關聯性。
大致的處理過程是這樣的：
如果對於這類3D神經網絡可視化感興趣，可以在文末找到對應的開源項目地址。
作者介紹
Stefan Sietzen，現居維也納，此前曾是個3D視覺方向的自由職業者。
目前，他在維也納工業大學讀碩，對視覺計算（visual computing）非常感興趣，這個3D神經網絡，就是他在碩士期間做的項目之一。
— 完 —
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