迁移学习之快速搭建卷积神经网络

Posted 2021-05-18 一颗小树x

前言

卷积神经网络 概念认识：一篇文章“简单”认识《卷积神经网络》(更新版)

卷积神经网络 简单模型搭建：手把手搭建一个【卷积神经网络】

本篇文章带大家熟悉“迁移学习”的开发流程，介绍如何使用预先训练好的神经网络，结合实际的功能需求，来实现一些图像任务；比如：实现对猫和狗的图像进行分类。

预先训练好的神经网络，通常称为“预训练模型”，它在大型数据集上进行训练，取得业界认可的效果，开源给广大开发者使用的模型。本文主要介绍在keras中的关于图像任务的开源模型。

比如：在ImageNet数据集上预训练过的用于图像分类的模型 VGG16、VGG19、ResNetV2、InceptionV3、MobileNetV2、DenseNet、NASNet等等模型。

top-1 accuracy和 top-5 accuracy 是指模型在 ImageNet 验证数据集上的性能；

Depth 是指网络的拓扑深度；这包括激活层、批次规范化层等。

这是官网的链接keras预训练模型，大家可以去探索一下

 

迁移学习方式

我们可以直接使用预训练模型，毕竟效果挺好的；提供输入信息，经过模型处理，直接输出结果。

也可以使用预训练模型的一部分网络结构，使用其特定的功能（比如：特征提取），然后根据给定任务自定义搭建一部分网络结构（比如：实现分类），最后组合起来就形成一个完整的神经网络啦。本文主要将这种方式。

 

预训练模型的优点

1）模型在足够大的数据集中训练，通常是业界的通用模型（比如：图像视觉的模型）；

2）预训练模型的权重是已知了，往往不用再花时间去训练；只需训练我们自定义的网络结构即可。

 

思路流程

1. 导入数据集
2. 探索集数据，并进行数据预处理
3. 构建模型（搭建神经网络结构、编译模型）预训练模型 + 自定义模型
4. 训练模型（把数据输入模型、评估准确性、作出预测、验证预测）  
5. 使用训练好的模型

 

一、导入数据集

使用谷歌开源的数据集，包含几千张猫和狗图像；然后把数据集分为训练集、验证集、测试集。

# 该数据集包含几千张猫和狗图像；
# 下载并提取包含图像的 zip 文件，然后创建一个tf.data.Data.Dataset，
_URL = 'https://storage.googleapis.com/mledu-datasets/cats_and_dogs_filtered.zip'
path_to_zip = tf.keras.utils.get_file('cats_and_dogs.zip', origin=_URL, extract=True)
PATH = os.path.join(os.path.dirname(path_to_zip), 'cats_and_dogs_filtered')

train_dir = os.path.join(PATH, 'train')
validation_dir = os.path.join(PATH, 'validation')

BATCH_SIZE = 32
IMG_SIZE = (160, 160)

# 用于使用tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory 进行拆分训练集和验证集。
train_dataset = image_dataset_from_directory(train_dir,
                                             shuffle=True,
                                             batch_size=BATCH_SIZE,
                                             image_size=IMG_SIZE)

validation_dataset = image_dataset_from_directory(validation_dir,
                                                  shuffle=True,
                                                  batch_size=BATCH_SIZE,
                                                  image_size=IMG_SIZE)

由于原始数据集不包含测试集，因此将创建一个测试集。在验证集中将其中 20% 移动到测试集。

val_batches = tf.data.experimental.cardinality(validation_dataset)
test_dataset = validation_dataset.take(val_batches // 5)
validation_dataset = validation_dataset.skip(val_batches // 5)
print('Number of validation batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(validation_dataset))
print('Number of test batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(test_dataset))

 

二、探索集数据，并进行数据预处理

将训练集的前 9 张图片和标签打印出来

class_names = train_dataset.class_names

plt.figure(figsize=(10, 10))
for images, labels in train_dataset.take(1):
  for i in range(9):
    ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
    plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
    plt.title(class_names[labels[i]])
    plt.axis("off")

 

数据集预处理——数据增强

由于该数据集只有几千张猫和狗图像，属于小数据集，在模型训练时容易产生过拟合的；于是使用数据增强，对训练图像进行随机旋转和水平翻转，使得训练样本多样性。

data_augmentation = tf.keras.Sequential([
  tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomFlip('horizontal'),
  tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomRotation(0.2),
])

RandomFlip("horizontal") 对图片进行 随机水平反转

RandomRotation(0.2)      对图片进行 随机旋转

查看一下效果：

for image, _ in train_dataset.take(1):
  plt.figure(figsize=(10, 10))
  first_image = image[0]
  for i in range(9):
    ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
    augmented_image = data_augmentation(tf.expand_dims(first_image, 0))
    plt.imshow(augmented_image[0] / 255)
    plt.axis('off')

 

数据集预处理——缩放像素值

将图片像素值从[0，255]重新缩放到[-1，1]

preprocess_input = tf.keras.applications.mobilenet_v2.preprocess_input
rescale = tf.keras.layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./127.5, offset= -1)

为什么是除以127.5，再整体偏移-1呢？由于图片的像素范围是0~255，我们把它变成-1~1的范围，于是每张图像（训练集、测试集）都除以127.5，这时得到的范围是0~2，再整体偏移-1，就得到-1~1的范围啦。

 

三、构建模型

常见卷积神经网络（CNN），主要由几个 卷积层Conv2D 和 池化层MaxPooling2D 层组成。卷积层与池化层的叠加实现对输入数据的特征提取，最后连接全连接层实现分类。

• 特征提取——卷积层与池化层
• 实现分类——全连接层

这里用到“迁移学习”的思想，使用“预训练模型”作为特征提取；实现分类的全连接层有我们自己搭建。

3.1）特征提取——MobileNet V2 

特征提取使用谷歌开发的MobileNet V2 模型，它是再ImageNet 数据集上预先训练的，该数据集由 140 万张图像和 1000 个类组成。

我们只使用MobileNet V2 模型的卷积层和池化层，生成base_model；不用它的全连接层，毕竟我们的输出只是识别猫和狗，不用识别1000多个类嘛。

# 使用MobileNet V2 的特征提取的网络结构、权重
IMG_SHAPE = IMG_SIZE + (3,)
base_model = tf.keras.applications.MobileNetV2(input_shape=IMG_SHAPE,
                                               include_top=False,
                                               weights='imagenet')

include_top=False，是指不用MobileNet V2模型的全连接层。

对图像进行特征提取，生成feature_batch

image_batch, label_batch = next(iter(train_dataset))
feature_batch = base_model(image_batch)
print(feature_batch.shape)

冻结base_model，对预先训练好的模型，不再重新进行训练了

base_model.trainable = False

查看一下base_model的网络结构 base_model.summary( )

base_model的模型结构实在太大了，这里显示了一小部分。

 

3.2）实现分类

使用GlobalAveragePooling2D将每张图像转换为单个 1280 元素矢量

global_average_layer = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()
feature_batch_average = global_average_layer(feature_batch)
print(feature_batch_average.shape)

由于进行猫和狗分类，对每个图像进行单个预测，正数预测类 1，负数预测类 0；于是全连接层用1个神经元就可以了。

prediction_layer = tf.keras.layers.Dense(1)
prediction_batch = prediction_layer(feature_batch_average)
print(prediction_batch.shape)

 

3.3）搭建整体网络结构

通过使用Keras 功能 API将数据增强、重新缩放、base_model、feature_batch层、分类层prediction_batch 串联在一起来，构建模型。

inputs = tf.keras.Input(shape=(160, 160, 3))
x = data_augmentation(inputs)
x = preprocess_input(x)
x = base_model(x, training=False)
x = global_average_layer(x)
x = tf.keras.layers.Dropout(0.2)(x)
outputs = prediction_layer(x)
model = tf.keras.Model(inputs, outputs)

 

3.4）编译模型

由于有两个类（猫和狗），使用二进制交叉熵损失；

base_learning_rate = 0.0001
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(lr=base_learning_rate),
              loss=tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

查看一下整体的网络结构 tf.keras.utils.plot_model(model)

或者用这种方式看看 model.summary( )

 

四、训练模型

这里我们输入准备好的训练集数据（包括图像、对应的标签），测试集的数据（包括图像、对应的标签），模型一共训练10次。

history = model.fit(train_dataset,
                    epochs=initial_epochs,
                    validation_data=validation_dataset)

下图是训练过程的截图：

通常loss越小越好，对了解释下什么是loss；简单来说是 模型预测值 和 真实值 的相差的值，反映模型预测的结果和真实值的相差程度；

通常准确度accuracy 越高，模型效果越好。从上图可以看到验证集的准确性高达95%。

 

评估模型

使用预训练模型MobileNet V2 作为图像特征提取器时，结合我们自定义分类层，看看训练集和验证集的准确性/损失的学习曲线。

acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']

loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

plt.figure(figsize=(8, 8))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([min(plt.ylim()),1])
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(loss, label='Training Loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.ylabel('Cross Entropy')
plt.ylim([0,1.0])
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.show()

 

五、使用模型

通常使用 model.predict( )  函数进行预测。

 

完整代码

'''
Tensorflow2.x  Python3 
'''
# 导入库
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
import tensorflow as tf

from tensorflow.keras.preprocessing import image_dataset_from_directory

# 该数据集包含几千张猫和狗图像；
# 下载并提取包含图像的 zip 文件，然后创建一个tf.data.Data.Dataset，
_URL = 'https://storage.googleapis.com/mledu-datasets/cats_and_dogs_filtered.zip'
path_to_zip = tf.keras.utils.get_file('cats_and_dogs.zip', origin=_URL, extract=True)
PATH = os.path.join(os.path.dirname(path_to_zip), 'cats_and_dogs_filtered')

train_dir = os.path.join(PATH, 'train')
validation_dir = os.path.join(PATH, 'validation')

BATCH_SIZE = 32
IMG_SIZE = (160, 160)

# 用于使用tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory 进行拆分训练集和验证集。
train_dataset = image_dataset_from_directory(train_dir,
                                             shuffle=True,
                                             batch_size=BATCH_SIZE,
                                             image_size=IMG_SIZE)

validation_dataset = image_dataset_from_directory(validation_dir,
                                                  shuffle=True,
                                                  batch_size=BATCH_SIZE,
                                                  image_size=IMG_SIZE)

# 由于原始数据集不包含测试集，因此将创建一个测试集。在验证集中将其中 20% 移动到测试集。
val_batches = tf.data.experimental.cardinality(validation_dataset)
test_dataset = validation_dataset.take(val_batches // 5)
validation_dataset = validation_dataset.skip(val_batches // 5)
print('Number of validation batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(validation_dataset))
print('Number of test batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(test_dataset))

# 将训练集的前 9 张图片和标签打印出来
class_names = train_dataset.class_names
plt.figure(figsize=(10, 10))
for images, labels in train_dataset.take(1):
  for i in range(9):
    ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
    plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
    plt.title(class_names[labels[i]])
    plt.axis("off")


# 数据集预处理——数据增强，对训练图像进行随机旋转和水平翻转，使得训练样本多样性。
data_augmentation = tf.keras.Sequential([
  tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomFlip('horizontal'),
  tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomRotation(0.2),
])

# 数据集预处理——缩放像素值,将图片像素值从[0，255]重新缩放到[-1，1].
preprocess_input = tf.keras.applications.mobilenet_v2.preprocess_input
rescale = tf.keras.layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./127.5, offset= -1)

# 使用MobileNet V2 模型的卷积层和池化层，生成base_model；不用它的全连接层
IMG_SHAPE = IMG_SIZE + (3,)
base_model = tf.keras.applications.MobileNetV2(input_shape=IMG_SHAPE,
                                               include_top=False,
                                               weights='imagenet')

# 对图像进行特征提取，生成feature_batch
image_batch, label_batch = next(iter(train_dataset))
feature_batch = base_model(image_batch)
print(feature_batch.shape)

# 冻结base_model，对预先训练好的模型，不再重新进行训练了
base_model.trainable = False

# 查看一下base_model的网络结构
base_model.summary()

# 实现分类
# 使用GlobalAveragePooling2D将每张图像转换为单个 1280 元素矢量
global_average_layer = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()
feature_batch_average = global_average_layer(feature_batch)
print(feature_batch_average.shape)
# 对每个图像进行单个预测，正数预测类 1，负数预测类 0；
prediction_layer = tf.keras.layers.Dense(1)
prediction_batch = prediction_layer(feature_batch_average)
print(prediction_batch.shape)

# 搭建整体网络结构
inputs = tf.keras.Input(shape=(160, 160, 3))
x = data_augmentation(inputs)
x = preprocess_input(x)
x = base_model(x, training=False)
x = global_average_layer(x)
x = tf.keras.layers.Dropout(0.2)(x)
outputs = prediction_layer(x)
model = tf.keras.Model(inputs, outputs)

# 编译模型
base_learning_rate = 0.0001
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(lr=base_learning_rate),
              loss=tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

# 查看一下整体的网络结构
tf.keras.utils.plot_model(model)
model.summary()

# 训练模型
history = model.fit(train_dataset,
                    epochs=initial_epochs,
                    validation_data=validation_dataset)

# 评估模型
acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']

loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

plt.figure(figsize=(8, 8))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([min(plt.ylim()),1])
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(loss, label='Training Loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.ylabel('Cross Entropy')
plt.ylim([0,1.0])
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.show()

 

参考

Tensorflow官网案例

卷积神经网络 概念认识：一篇文章“简单”认识《卷积神经网络》(更新版)

卷积神经网络 简单模型搭建：手把手搭建一个【卷积神经网络】

卷积神经网络 训练模型遇到过拟合问题，如何解决：“花朵分类“ 手把手搭建【卷积神经网络】