深度学习100例 | 第27天-卷积神经网络(CNN):艺术作品识别
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大家好,我是K同学啊!
今天的案例是世界名画的分类识别
🚀 我的环境:
- 语言环境:Python3.6.5
- 编译器:jupyter notebook
- 深度学习环境:TensorFlow2.4.1
- 数据和代码:📌【传送门】
🚀 来自专栏:《深度学习100例》
如果你是一名深度学习小白可以先看看我这个专门为你写的专栏:《小白入门深度学习》
- 小白入门深度学习 | 第一篇:配置深度学习环境
- 小白入门深度学习 | 第二篇:编译器的使用-Jupyter Notebook
- 小白入门深度学习 | 第三篇:深度学习初体验
- 小白入门深度学习 | 第四篇:配置PyTorch环境
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- 深度学习100例-卷积神经网络(CNN)实现mnist手写数字识别 | 第1天
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- 深度学习100例-生成对抗网络(DCGAN)手写数字生成 | 第19天
- 深度学习100例-生成对抗网络(DCGAN)生成动漫小姐姐 | 第20天
文章目录
一、设置GPU
import tensorflow as tf
gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")
if gpus:
gpu0 = gpus[0] #如果有多个GPU,仅使用第0个GPU
tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu0, True) #设置GPU显存用量按需使用
tf.config.set_visible_devices([gpu0],"GPU")
import matplotlib.pyplot as plt
import os,PIL,pathlib
import numpy as np
import pandas as pd
import warnings
from tensorflow import keras
warnings.filterwarnings("ignore")#忽略警告信息
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
二、导入数据
1. 导入数据
import pathlib
data_dir = "./27-data/"
data_dir = pathlib.Path(data_dir)
image_count = len(list(data_dir.glob('*/*')))
print("图片总数为:",image_count)
图片总数为: 3776
batch_size = 16
img_height = 224
img_width = 224
"""
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 3776 files belonging to 10 classes.
Using 3021 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 3776 files belonging to 10 classes.
Using 755 files for validation.
class_names = train_ds.class_names
print(class_names)
['Alfred_Sisley', 'Edgar_Degas', 'Francisco_Goya', 'Marc_Chagall', 'Pablo_Picasso', 'Paul_Gauguin', 'Peter_Paul_Rubens', 'Rembrandt', 'Titian', 'Vincent_van_Gogh']
2. 检查数据
for image_batch, labels_batch in train_ds:
print(image_batch.shape)
print(labels_batch.shape)
break
(16, 224, 224, 3)
(16,)
3. 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
def train_preprocessing(image,label):
return (image/255.0,label)
train_ds = (
train_ds.cache()
.shuffle(2000)
.map(train_preprocessing) # 这里可以设置预处理函数
# .batch(batch_size) # 在image_dataset_from_directory处已经设置了batch_size
.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
)
val_ds = (
val_ds.cache()
.shuffle(2000)
.map(train_preprocessing) # 这里可以设置预处理函数
# .batch(batch_size) # 在image_dataset_from_directory处已经设置了batch_size
.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
)
4. 数据可视化
plt.figure(figsize=(10, 8)) # 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(15):
plt.subplot(4, 5, i + 1)
plt.xticks([])
plt.yticks([])
plt.grid(False)
# 显示图片
plt.imshow(images[i])
# 显示标签
plt.xlabel(class_names[labels[i]-1])
plt.show()
三、构建模型
在这次训练的过程中我发现一个有趣的现象:当我使用复杂的网络时,训练效果不是很理想;当采用相对简单的网络时,效果反而还不错。
from tensorflow.keras import layers, models, Input
from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Dense, Flatten, Dropout,BatchNormalization,Activation
# Load pre-trained model
base_model = keras.applications.ResNet50(weights='imagenet', include_top=False, input_shape=(img_width,img_height,3))
for layer in base_model.layers:
layer.trainable = True
# Add layers at the end
X = base_model.output
X = Flatten()(X)
X = Dense(512, kernel_initializer='he_uniform')(X)
#X = Dropout(0.5)(X)
X = BatchNormalization()(X)
X = Activation('relu')(X)
X = Dense(16, kernel_initializer='he_uniform')(X)
#X = Dropout(0.5)(X)
X = BatchNormalization()(X)
X = Activation('relu')(X)
output = Dense(len(class_names), activation='softmax')(X)
model = Model(inputs=base_model.input, outputs=output)
四、编译
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(lr=1e-4)
model.compile(optimizer=optimizer,
loss='sparse_categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
五、训练模型
from tensorflow.keras.callbacks import ModelCheckpoint, Callback, EarlyStopping, ReduceLROnPlateau, LearningRateScheduler
NO_EPOCHS = 15
PATIENCE = 5
VERBOSE = 1
# 设置动态学习率
# annealer = LearningRateScheduler(lambda x: 1e-3 * 0.99 ** (x+NO_EPOCHS))
# 设置早停
earlystopper = EarlyStopping(monitor='loss', patience=PATIENCE, verbose=VERBOSE)
#
checkpointer = ModelCheckpoint('best_model.h5',
monitor='val_accuracy',
verbose=VERBOSE,
save_best_only=True,
save_weights_only=True)
train_model = model.fit(train_ds,
epochs=NO_EPOCHS,
verbose=1,
validation_data=val_ds,
callbacks=[earlystopper, checkpointer])
Epoch 1/15
189/189 [==============================] - 27s 106ms/step - loss: 1.4843 - accuracy: 0.6120 - val_loss: 5.0845 - val_accuracy: 0.0993
Epoch 00001: val_accuracy improved from -inf to 0.09934, saving model to best_model.h5
Epoch 2/15
189/189 [==============================] - 17s 91ms/step - loss: 0.8991 - accuracy: 0.9239 - val_loss: 2.6411 - val_accuracy: 0.0609
Epoch 00002: val_accuracy did not improve from 0.09934
Epoch 3/15
189/189 [==============================] - 17s 91ms/step - loss: 0.6931 - accuracy: 0.9811 - val_loss: 2.3857 - val_accuracy: 0.1126
Epoch 00003: val_accuracy improved from 0.09934 to 0.11258, saving model to best_model.h5
Epoch 4/15
189/189 [==============================] - 17s 90ms/step - loss: 0.5785 - accuracy: 0.9894 - val_loss: 2.0525 - val_accuracy: 0.3682
Epoch 00004: val_accuracy improved from 0.11258 to 0.36821, saving model to best_model.h5
Epoch 5/15
189/189 [==============================] - 17s 91ms/step - loss: 0.4948 - accuracy: 0.9937 - val_loss: 1.5288 - val_accuracy: 0.6093
Epoch 00005: val_accuracy improved from 0.36821 to 0.60927, saving model to best_model.h5
Epoch 6/15
189/189 [==============================] - 17s 91ms/step - loss: 0.4272 - accuracy: 0.9947 - val_loss: 0.9600 - val_accuracy: 0.8093
Epoch 00006: val_accuracy improved from 0.60927 to 0.80927, saving model to best_model.h5
Epoch 7/15
189/189 [==============================] - 17s 91ms/step - loss: 0.3719 - accuracy: 0.9944 - val_loss: 0.8053 - val_accuracy: 0.8450
Epoch 00007: val_accuracy improved from 0.80927 to 0.84503, saving model to best_model.h5
Epoch 8/15
189/189 [==============================] - 17s 92ms/step - loss: 0.3250 - accuracy: 0.9940 - val_loss: 0.7707 - val_accuracy: 0.8437
Epoch 00008: val_accuracy did not improve from 0.84503
Epoch 9/15
189/189 [==============================] - 17s 90ms/step - loss: 0.2843 - accuracy: 0.9957 - val_loss: 0.7272 - val_accuracy: 0.8477
Epoch 00009: val_accuracy improved from 0.84503 to 0.84768, saving model to best_model.h5
Epoch 10/15
189/189 [==============================] - 17s 90ms/step - loss: 0.2495 - accuracy: 0.9960 - val_loss: 0.6777 - val_accuracy: 0.8477
Epoch 00010: val_accuracy did not improve from 0.84768
Epoch 11/15
189/189 [==============================] - 17s 91ms/step - loss: 0.2198 - accuracy: 0.9960 - val_loss: 0.6555 - val_accuracy: 0.8543
Epoch 00011: val_accuracy improved from 0.84768 to 0.85430, saving model to best_model.h5
Epoch 12/15
189/189 [==============================] - 17s 90ms/step - loss: 0.1947 - accuracy: 0.9964 - val_loss: 0.6447 - val_accuracy: 0.8490
Epoch 00012: val_accuracy did not improve from 0.85430
Epoch 13/15
189/189 [==============================] - 17s 92ms/step - loss: 0.1723 - accuracy: 0.9964 - val_loss: 0.6067 - val_accuracy: 0.8543
Epoch 00013: val_accuracy did not improve from 0.85430
Epoch 14/15
189/189 [==============================] - 17s 90ms/step - loss: 0.1532 - accuracy: 0.9964 - val_loss: 0.5886 - val_accuracy: 0.8530
Epoch 00014: val_accuracy did not improve from 0.85430
Epoch 15/15
189/189 [==============================] - 17s 90ms/step - loss: 0.1364 - accuracy: 0.9964 - val_loss: 0.5761 - val_accuracy: 0.8490
Epoch 00015: val_accuracy did not improve from 0.85430
六、评估模型
1. Accuracy与Loss图
acc = train_model.history['accuracy']
val_acc = train_model.history['val_accuracy']
loss = train_model.history['loss']
val_loss = train_model.history['val_loss']
epochs_range = range(len(acc))
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
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)
3. 各项指标评估
from sklearn import metrics
def test_accuracy_report(model):
print(metrics.classification_report(val_label, val_pre, target_names=class_names))
score = model.evaluate(val_ds, verbose=0)
print('Loss function: %s, accuracy:' % score[0], score[1])
test_accuracy_report(model)
precision recall f1-score support
Alfred_Sisley 0.76 0.98 0.86 53
Edgar_Degas 0.89 0.94 0.92 132
Francisco_Goya 0.89 0.69 0.77 70
Marc_Chagall 0.85 0.94 0.89 48
Pablo_Picasso 0.89 0.74 0.81 90
Paul_Gauguin 0.94 0.84 0.89 57
Peter_Paul_Rubens 0.71 0.86 0.78 29
Rembrandt 0.66 0.92 0.77 48
Titian 0.90 0.72 0.80 65
Vincent_van_Gogh 0.88 0.87 0.87 163
accuracy 0.85 755
macro avg 0.84 0.85 0.84 755
weighted avg 0.86 0.85 0.85 755
Loss function: 0.5761227011680603, accuracy: 0.8490065932273865
如果你需要定制 准确率更高
的模型可以联系我(你可以在主页找到我的联系方式)
七、同系列作品
🚀 深度学习新人必看:《小白入门深度学习》
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以上是关于深度学习100例 | 第27天-卷积神经网络(CNN):艺术作品识别的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
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