深度学习100例-卷积神经网络(CNN)识别眼睛状态 | 第17天

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了深度学习100例-卷积神经网络(CNN)识别眼睛状态 | 第17天相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一、前期工作

本文将通过对人眼状态的识别达到检测注意力的目的 ⏳ 新增混淆矩阵模块。

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🚀 来自专栏:《深度学习100例》

1. 设置GPU

如果使用的是CPU可以注释掉这部分的代码。

import tensorflow as tf

gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True)  #设置GPU显存用量按需使用
    tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")

# 打印显卡信息,确认GPU可用
print(gpus)
[PhysicalDevice(name='/physical_device:GPU:0', device_type='GPU')]

2. 导入数据

import matplotlib.pyplot as plt
# 支持中文
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号

import os,PIL

# 设置随机种子尽可能使结果可以重现
import numpy as np
np.random.seed(1)

# 设置随机种子尽可能使结果可以重现
import tensorflow as tf
tf.random.set_seed(1)

import pathlib
data_dir = "D:/jupyter notebook/DL-100-days/datasets/017_Eye_dataset"

data_dir = pathlib.Path(data_dir)

3. 查看数据

image_count = len(list(data_dir.glob('*/*')))

print("图片总数为:",image_count)
图片总数为: 4307

二、数据预处理

1. 加载数据

使用image_dataset_from_directory方法将磁盘中的数据加载到tf.data.Dataset

batch_size = 64
img_height = 224
img_width = 224

TensorFlow版本是2.2.0的同学可能会遇到module 'tensorflow.keras.preprocessing' has no attribute 'image_dataset_from_directory'的报错,升级一下TensorFlow就OK了。

"""
关于image_dataset_from_directory()的详细介绍可以参考文章:https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/117018789
"""
train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="training",
    seed=12,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)
Found 4307 files belonging to 4 classes.
Using 3446 files for training.
"""
关于image_dataset_from_directory()的详细介绍可以参考文章:https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/117018789
"""
val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=12,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)
Found 4307 files belonging to 4 classes.
Using 861 files for validation.

我们可以通过class_names输出数据集的标签。标签将按字母顺序对应于目录名称。

class_names = train_ds.class_names
print(class_names)
['close_look', 'forward_look', 'left_look', 'right_look']

2. 可视化数据

plt.figure(figsize=(10, 5))  # 图形的宽为10高为5
plt.suptitle("数据展示")

for images, labels in train_ds.take(1):
    for i in range(8):
        
        ax = plt.subplot(2, 4, i + 1)  
        
        ax.patch.set_facecolor('yellow')
        
        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        plt.title(class_names[labels[i]])
        
        plt.axis("off")

3. 再次检查数据

for image_batch, labels_batch in train_ds:
    print(image_batch.shape)
    print(labels_batch.shape)
    break
(64, 224, 224, 3)
(64,)
  • Image_batch是形状的张量(8, 224, 224, 3)。这是一批形状240x240x3的8张图片(最后一维指的是彩色通道RGB)。
  • Label_batch是形状(8,)的张量,这些标签对应8张图片

4. 配置数据集

  • shuffle() : 打乱数据,关于此函数的详细介绍可以参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/42417456
  • prefetch() :预取数据,加速运行,其详细介绍可以参考我前两篇文章,里面都有讲解。
  • cache() :将数据集缓存到内存当中,加速运行
AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

train_ds = train_ds.cache().shuffle(1000).prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds   = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)

三、调用官方网络模型

model = tf.keras.applications.VGG16()
# 打印模型信息
model.summary()
Model: "vgg16"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
input_1 (InputLayer)         [(None, 224, 224, 3)]     0         
_________________________________________________________________
block1_conv1 (Conv2D)        (None, 224, 224, 64)      1792      
_________________________________________________________________

......   
_________________________________________________________________
flatten (Flatten)            (None, 25088)             0         
_________________________________________________________________
fc1 (Dense)                  (None, 4096)              102764544 
_________________________________________________________________
fc2 (Dense)                  (None, 4096)              16781312  
_________________________________________________________________
predictions (Dense)          (None, 1000)              4097000   
=================================================================
Total params: 138,357,544
Trainable params: 138,357,544
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

四、设置动态学习率

这里先罗列一下学习率大与学习率小的优缺点。

  • 学习率大
    • 优点:1、加快学习速率。2、有助于跳出局部最优值。
    • 缺点:1、导致模型训练不收敛。2、单单使用大学习率容易导致模型不精确。
  • 学习率小
    • 优点:1、有助于模型收敛、模型细化。2、提高模型精度。
    • 缺点:1、很难跳出局部最优值。2、收敛缓慢。

注意:这里设置的动态学习率为:指数衰减型(ExponentialDecay)。在每一个epoch开始前,学习率(learning_rate)都将会重置为初始学习率(initial_learning_rate),然后再重新开始衰减。计算公式如下:

learning_rate = initial_learning_rate * decay_rate ^ (step / decay_steps)

# 设置初始学习率
initial_learning_rate = 1e-4

lr_schedule = tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
        initial_learning_rate, 
        decay_steps=20,      # 敲黑板!!!这里是指 steps,不是指epochs
        decay_rate=0.96,     # lr经过一次衰减就会变成 decay_rate*lr
        staircase=True)

# 将指数衰减学习率送入优化器
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=lr_schedule)

五、编译

在准备对模型进行训练之前,还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的:

  • 损失函数(loss):用于衡量模型在训练期间的准确率。
  • 优化器(optimizer):决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
  • 评价函数(metrics):用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率,即被正确分类的图像的比率。
model.compile(optimizer=optimizer,
              loss     ='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics  =['accuracy'])

六、训练模型

epochs = 10

history = model.fit(
    train_ds,
    validation_data=val_ds,
    epochs=epochs
)
Epoch 1/10
54/54 [==============================] - 29s 377ms/step - loss: 1.0835 - accuracy: 0.6709 - val_loss: 0.6919 - val_accuracy: 0.7933
Epoch 2/10
54/54 [==============================] - 14s 268ms/step - loss: 0.2332 - accuracy: 0.9248 - val_loss: 0.1173 - val_accuracy: 0.9628
Epoch 3/10
54/54 [==============================] - 14s 259ms/step - loss: 0.1072 - accuracy: 0.9634 - val_loss: 0.0771 - val_accuracy: 0.9779
Epoch 4/10
54/54 [==============================] - 14s 256ms/step - loss: 0.0663 - accuracy: 0.9794 - val_loss: 0.0566 - val_accuracy: 0.9826
Epoch 5/10
54/54 [==============================] - 14s 258ms/step - loss: 0.0480 - accuracy: 0.9855 - val_loss: 0.0609 - val_accuracy: 0.9768
Epoch 6/10
54/54 [==============================] - 14s 258ms/step - loss: 0.0431 - accuracy: 0.9852 - val_loss: 0.0597 - val_accuracy: 0.9768
Epoch 7/10
54/54 [==============================] - 14s 256ms/step - loss: 0.0289 - accuracy: 0.9910 - val_loss: 0.0539 - val_accuracy: 0.9837
Epoch 8/10
54/54 [==============================] - 14s 259ms/step - loss: 0.0221 - accuracy: 0.9927 - val_loss: 0.0626 - val_accuracy: 0.9744
Epoch 9/10
54/54 [==============================] - 14s 257ms/step - loss: 0.0281 - accuracy: 0.9910 - val_loss: 0.0605 - val_accuracy: 0.9814
Epoch 10/10
54/54 [==============================] - 14s 257ms/step - loss: 0.0203 - accuracy: 0.9936 - val_loss: 0.0663 - val_accuracy: 0.9791

七、模型评估

1. Accuracy与Loss图

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

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

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

2. 混淆矩阵

Seaborn 是一个画图库,它基于 Matplotlib 核心库进行了更高阶的 API 封装,可以让你轻松地画出更漂亮的图形。Seaborn 的漂亮主要体现在配色更加舒服、以及图形元素的样式更加细腻。

from sklearn.metrics import confusion_matrix
import seaborn as sns
import pandas as pd

# 定义一个绘制混淆矩阵图的函数
def plot_cm(labels, predictions):
    
    # 生成混淆矩阵
    conf_numpy = confusion_matrix(labels, predictions)
    # 将矩阵转化为 DataFrame
    conf_df = pd.DataFrame(conf_numpy, index=class_names ,columns=class_names)  
    
    plt.figure(figsize=(8,7))
    
    sns.heatmap(conf_df, annot=True, fmt="d", cmap="BuPu")
    
    plt.title('混淆矩阵',fontsize=15)
    plt.ylabel('真实值',fontsize=14)
    plt.xlabel('预测值',fontsize=14)
val_pre   = []
val_label = []

for images, labels in val_ds:#这里可以取部分验证数据(.take(1))生成混淆矩阵
    for image, label in zip(images, labels):
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(image, 0) 
        # 使用模型预测图片中的人物
        prediction = model.predict(img_array)

        val_pre.append(class_names[np.argmax(prediction)])
        val_label.append(class_names[label])
plot_cm(val_label, val_pre)

在这里插入图片描述

八、保存and加载模型

这是最简单的模型保存与加载方法哈

# 保存模型
model.save('model/17_model.h5')
# 加载模型
new_model = tf.keras.models.load_model('model/17_model.h5')

九、预测

# 采用加载的模型(new_model)来看预测结果

plt.figure(figsize=(10, 5))  # 图形的宽为10高为5
plt.suptitle("预测结果展示")

for images, labels in val_ds.take(1):
    for i in range(8):
        ax = plt.subplot(2, 4, i + 1)  
        
        # 显示图片
        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(images[i], 0) 
        
        # 使用模型预测图片中的人物
        predictions = new_model.predict(img_array)
        plt.title(class_names[np.argmax(predictions)])

        plt.axis("off")

在这里插入图片描述


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🚀 来自专栏:《深度学习100例》

未完~

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