feat: 用 Grad-CAM 从分类模型生成弱监督框标签

分类模型只学过"是什么缺陷",Grad-CAM 把分类分数对卷积特征的梯度当作通道重要性,
加权求和得到空间热力图,阈值化 + 连通域外接矩形即得到框标签,输出 YOLO 格式,
可直接接入既有的检测训练链路。

- engine/gradcam.py:整批一次 backward 的 Grad-CAM(各样本只回传自己那一类的分数)、
  numpy 实现的 4-邻接连通域标记(不为这一处引入 scipy/opencv)、CAM 转归一化框
- scripts/gradcam_boxes.py:遍历数据集生成标签,并输出「原图 | 热力图 | 叠加+框」
  三联图供人工核对;框的类别取自图片所在目录而非模型预测

两处按实图定下的默认值:
- --stage 默认 6(layer3, 8×8)。layer4 只有 4×4 太粗,layer2 响应太散导致 40% 出不了框
- --peak-ratio 0.75:次要连通域峰值需达全局最大值的 75%,否则会在无缺陷的角落刷假框;
  实测把两框比例从 53% 降到 20%

全量 11,212 张已生成:61.8% 出 1 框、35.2% 出 2 框、3.0% 无框,每类留 25 张可视化。

Co-Authored-By: Claude Opus 5 <noreply@anthropic.com>
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Shaun Zhou
2026-09-10 15:46:30 +08:00
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@@ -0,0 +1,159 @@
"""Grad-CAM 与由热力图导出检测框。
分类模型只学过"这是什么缺陷",没学过"缺陷在哪"。Grad-CAM 把分类分数对某层特征图的
梯度当作该层各通道的重要性,加权求和后得到一张空间热力图——分类模型隐含的定位线索。
再对热力图阈值化、取连通域外接矩形,就得到弱监督的框标签。
分辨率是主要限制:resnet18 在 128×128 输入下 layer4 只有 4×4、layer3 有 8×8。
层越浅空间越精细,但类别判别性越弱,需要按数据实测取舍。
"""
from __future__ import annotations
import numpy as np
import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
def grad_cam(
backbone: nn.Module,
head: nn.Module,
images: torch.Tensor,
targets: torch.Tensor,
stage: int | None = None,
) -> torch.Tensor:
"""对一个 batch 求 Grad-CAM,返回 (B, h, w) 的热力图(每张已归一化到 [0, 1])。
Args:
stage: 取 `backbone.features` 的第几层输出做 CAM;None 表示用骨架最终输出
(即最后一个卷积块)。层越浅分辨率越高、类别判别性越弱。
对每个样本只回传它自己那一类的分数,所以整批可以一次 backward——
样本之间的梯度互不干扰。
"""
layers = getattr(backbone, "features", None)
if stage is not None and not isinstance(layers, nn.Sequential):
raise ValueError("该骨架不是 nn.Sequential,无法按 stage 取中间层")
with torch.enable_grad():
if stage is None:
activations = backbone(images)
features = activations
else:
features = images
for index, layer in enumerate(layers):
features = layer(features)
if index == stage:
break
else:
raise ValueError(f"stage {stage} 超出骨架层数 {len(layers)}")
activations = features
for layer in list(layers)[stage + 1 :]:
features = layer(features)
activations.retain_grad()
logits = head(features)
# 只取每个样本对应目标类别的分数;求和后一次 backward 即可
score = logits.gather(1, targets.view(-1, 1)).sum()
backbone.zero_grad(set_to_none=True)
head.zero_grad(set_to_none=True)
score.backward()
gradients = activations.grad
if gradients is None:
raise RuntimeError("没有拿到梯度,检查目标层是否参与了前向计算")
weights = gradients.mean(dim=(2, 3), keepdim=True) # 各通道的重要性
cam = F.relu((weights * activations).sum(dim=1)) # (B, h, w)
flat = cam.flatten(1)
lo = flat.min(dim=1, keepdim=True).values
hi = flat.max(dim=1, keepdim=True).values
cam = ((flat - lo) / (hi - lo).clamp(min=1e-8)).view_as(cam)
return cam.detach()
def connected_components(mask: np.ndarray) -> list[np.ndarray]:
"""4-邻接连通域标记,返回每个连通域的布尔掩码。
自己写而不引 scipy/opencv:项目只依赖 numpy/torch/PIL,
为这一处再加一个重依赖不划算。
"""
height, width = mask.shape
seen = np.zeros_like(mask, dtype=bool)
components = []
for start_y in range(height):
for start_x in range(width):
if not mask[start_y, start_x] or seen[start_y, start_x]:
continue
stack = [(start_y, start_x)]
seen[start_y, start_x] = True
pixels = []
while stack:
y, x = stack.pop()
pixels.append((y, x))
for ny, nx in ((y - 1, x), (y + 1, x), (y, x - 1), (y, x + 1)):
if 0 <= ny < height and 0 <= nx < width and mask[ny, nx] and not seen[ny, nx]:
seen[ny, nx] = True
stack.append((ny, nx))
component = np.zeros_like(mask, dtype=bool)
ys, xs = zip(*pixels, strict=True)
component[list(ys), list(xs)] = True
components.append(component)
return components
def cam_to_boxes(
cam: np.ndarray,
threshold: float = 0.4,
min_area_ratio: float = 0.01,
max_boxes: int = 3,
padding: float = 0.0,
peak_ratio: float = 0.75,
) -> list[tuple[float, float, float, float]]:
"""把一张热力图变成若干归一化 xyxy 框。
Args:
threshold: 相对最大值的阈值;CAM 已归一化到 [0,1],所以直接比较。
min_area_ratio: 连通域面积小于整图这个比例就丢掉,滤掉零星的高响应点。
max_boxes: 最多保留几个框(按连通域内热力总和排序)。
padding: 框的四周外扩比例——CAM 倾向只覆盖最具判别性的部位(比如缺陷中心),
往往比真实缺陷范围小,适当外扩更贴合。
peak_ratio: 连通域的峰值至少要达到全局最大值的这个比例才保留。
CAM 归一化后最强的区域峰值恒为 1,次强区域若只有 0.45 多半是噪声——
实测不加这条会在没有缺陷的角落刷出假框。
返回的坐标已归一化到 [0, 1],与图像实际尺寸无关,可直接写 YOLO 标签。
"""
height, width = cam.shape
mask = cam >= threshold
if not mask.any():
return []
boxes = []
for component in connected_components(mask):
if component.sum() < max(1, min_area_ratio * height * width):
continue
if cam[component].max() < peak_ratio: # 弱响应区多半是噪声,不是第二个缺陷
continue
ys, xs = np.where(component)
# +1 让框覆盖住整个格子,而不是格子中心之间的距离
x1, x2 = xs.min() / width, (xs.max() + 1) / width
y1, y2 = ys.min() / height, (ys.max() + 1) / height
if padding:
dx, dy = (x2 - x1) * padding, (y2 - y1) * padding
x1, x2 = max(0.0, x1 - dx), min(1.0, x2 + dx)
y1, y2 = max(0.0, y1 - dy), min(1.0, y2 + dy)
boxes.append((float(cam[component].sum()), (x1, y1, x2, y2)))
boxes.sort(key=lambda item: -item[0])
return [box for _, box in boxes[:max_boxes]]
def to_yolo_line(box: tuple[float, float, float, float], class_id: int) -> str:
"""归一化 xyxy -> YOLO 的 `class_id cx cy w h`。"""
x1, y1, x2, y2 = box
return (
f"{class_id} {(x1 + x2) / 2:.6f} {(y1 + y2) / 2:.6f} {x2 - x1:.6f} {y2 - y1:.6f}"
)