基于卷积神经网络VGG实现水果分类识别
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于卷积神经网络VGG实现水果分类识别相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
基于卷积神经网络VGG实现水果分类识别
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一. 前言
随着人们生活质量的提高，世界各地的水果逐渐进入到大家的生活中，相较于人们日常的大众水果，可能会出现一些人们不认识的新品种，这个时候就需要对这一部分水果进行识别分类。
二. 模型介绍
本案例中我们使用VGG网络进行水果识别，首先我们来了解一下VGG模型。
VGG是当前最流行的CNN模型之一，2014年由Simonyan和Zisserman发表在ICLR 2015会议上的论文《Very Deep Convolutional Networks For Large-scale Image Recognition》提出，其命名来源于论文作者所在的实验室Visual Geometry Group。VGG设计了一种大小为3x3的小尺寸卷积核和池化层组成的基础模块，通过堆叠上述基础模块构造出深度卷积神经网络，该网络在图像分类领域取得了不错的效果，在大型分类数据集ILSVRC上，VGG模型仅有6.8% 的top-5 test error 。VGG模型一经推出就很受研究者们的欢迎，因为其网络结构的设计合理，总体结构简明，且可以适用于多个领域。VGG的设计为后续研究者设计模型结构提供了思路。
下图是VGG-16的网络结构示意图，一共包含13层卷积和3层全连接层。VGG网络使用3×3的卷积层和池化层组成的基础模块来提取特征，三层全连接层放在网络的最后组成分类器，最后一层全连接层的输出即为分类的预测。 在VGG中每层卷积将使用ReLU作为激活函数，在全连接层之后添加dropout来抑制过拟合。使用小的卷积核能够有效地减少参数的个数，使得训练和测试变得更加有效。比如如果我们想要得到感受野为5的特征图，最直接的方法是使用5×5的卷积层，但是我们也可以使用两层3×3卷积层达到同样的效果，并且只需要更少的参数。另外由于卷积核比较小，我们可以堆叠更多的卷积层，提取到更多的图片信息，来提高图像分类的准确率。VGG模型的成功证明了增加网络的深度，可以更好的学习图像中的特征模式，达到更高的分类准确率。
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三. 数据处理
代码基于飞桨的 BML CodeLab 编写
# ! unzip -oq data/data137852/fruits.zip
import os
import random
import json
import paddle
import sys
import numpy as np
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
# 定义公共变量
name_dict = "apple": 0, "banana": 1, "grape": 2,
"orange": 3, "pear": 4
data_root_path = "fruits/" # 数据集目录
test_file_path = data_root_path + "test.txt" # 测试集文件路径
train_file_path = data_root_path + "train.txt" # 测试集文件
name_data_list = # 记录每个类别图片 key:名称 value:路径列表
def save_train_test_file(path, name): # 将图片添加到字典
if name not in name_data_list: # 该类别水果不在字典中
img_list = []
img_list.append(path) # 路径存入列表
name_data_list[name] = img_list # 列表存入字典
else:
name_data_list[name].append(path) # 直接添加到列表
# 遍历每个子目录，将图片路径存入字典
dirs = os.listdir(data_root_path) # 列出数据集下的子目录
for d in dirs:
full_path = data_root_path + d # 子目录完整路径
if os.path.isdir(full_path): # 如果是目录
imgs = os.listdir(full_path) # 列出子目录下的图片
for img in imgs:
img_full_path = full_path + "/" + img # 图片路径
save_train_test_file(img_full_path, d) # 添加到字典
else: # 文件
pass
# 划分训练集、测试集
with open(test_file_path, "w") as f:
pass
with open(train_file_path, "w") as f:
pass
# 遍历字典
for name, img_list in name_data_list.items():
i = 0
num = len(img_list) # 取出样本数量
print("%s: %d张图像" % (name, num))
for img in img_list:
# 拼接一行
line = "%s\\t%d\\n" % (img, name_dict[name])
if i % 10 == 0: # 写入测试集
with open(test_file_path, "a") as f:
f.write(line) # 存入文件
else: # 写入训练集
with open(train_file_path, "a") as f:
f.write(line) # 存入文件
i += 1
print("数据预处理完成.")
# 定义数据读取器
class dataset(Dataset):
def __init__(self, data_path, mode='train'):
"""
数据读取器
:param data_path: 数据集所在路径
:param mode: train or eval
"""
super().__init__()
self.data_path = data_path
self.img_paths = []
self.labels = []
if mode == 'train':
with open(os.path.join(self.data_path, "train.txt"), "r", encoding="utf-8") as f:
self.info = f.readlines()
for img_info in self.info:
img_path, label = img_info.strip().split('\\t')
self.img_paths.append(img_path)
self.labels.append(int(label))
else:
with open(os.path.join(self.data_path, "test.txt"), "r", encoding="utf-8") as f:
self.info = f.readlines()
for img_info in self.info:
img_path, label = img_info.strip().split('\\t')
self.img_paths.append(img_path)
self.labels.append(int(label))
def __getitem__(self, index):
"""
获取一组数据
:param index: 文件索引号
:return:
"""
# 第一步打开图像文件并获取label值
img_path = self.img_paths[index]
img = Image.open(img_path)
if img.mode != 'RGB':
img = img.convert('RGB')
img = img.resize((224, 224), Image.BILINEAR)
#img = rand_flip_image(img)
img = np.array(img).astype('float32')
img = img.transpose((2, 0, 1)) / 255
label = self.labels[index]
label = np.array([label], dtype="int64")
return img, label
def print_sample(self, index: int = 0):
print("文件名", self.img_paths[index], "\\t标签值", self.labels[index])
def __len__(self):
return len(self.img_paths)
#训练数据加载
train_dataset = dataset('fruits',mode='train')
train_loader = paddle.io.DataLoader(train_dataset, batch_size=32, shuffle=True)
#评估数据加载
eval_dataset = dataset('fruits',mode='eval')
eval_loader = paddle.io.DataLoader(eval_dataset, batch_size = 8, shuffle=False)
print("数据的预处理和加载完成！")
四. 模型搭建
4.1 定义卷积池化网络
# 定义卷积池化网络
class ConvPool(paddle.nn.Layer):
def __init__(self,
num_channels,
num_filters,
filter_size,
pool_size,
pool_stride,
groups,
conv_stride=1,
conv_padding=1,
):
super(ConvPool, self).__init__()
# groups代表卷积层的数量
for i in range(groups):
self.add_sublayer( #添加子层实例
'bb_%d' % i,
paddle.nn.Conv2D( # layer
in_channels=num_channels, #通道数
out_channels=num_filters, #卷积核个数
kernel_size=filter_size, #卷积核大小
stride=conv_stride, #步长
padding = conv_padding, #padding
)
)
self.add_sublayer(
'relu%d' % i,
paddle.nn.ReLU()
)
num_channels = num_filters
self.add_sublayer(
'Maxpool',
paddle.nn.MaxPool2D(
kernel_size=pool_size, #池化核大小
stride=pool_stride #池化步长
)
)
def forward(self, inputs):
x = inputs
for prefix, sub_layer in self.named_children():
# print(prefix,sub_layer)
x = sub_layer(x)
return x
4.2 搭建VGG网络
# VGG网络
class VGGNet(paddle.nn.Layer):
def __init__(self):
super(VGGNet, self).__init__()
# 5个卷积池化操作
self.convpool01 = ConvPool(
3, 64, 3, 2, 2, 2) #3:通道数，64：卷积核个数，3:卷积核大小，2:池化核大小，2:池化步长，2:连续卷积个数
self.convpool02 = ConvPool(
64, 128, 3, 2, 2, 2)
self.convpool03 = ConvPool(
128, 256, 3, 2, 2, 3)
self.convpool04 = ConvPool(
256, 512, 3, 2, 2, 3)
self.convpool05 = ConvPool(
512, 512, 3, 2, 2, 3)
self.pool_5_shape = 512 * 7* 7
# 三个全连接层
self.fc01 = paddle.nn.Linear(self.pool_5_shape, 4096)
self.drop1 = paddle.nn.Dropout(p=0.5)
self.fc02 = paddle.nn.Linear(4096, 4096)
self.drop2 = paddle.nn.Dropout(p=0.5)
self.fc03 = paddle.nn.Linear(4096, train_parameters['class_dim'])
def forward(self, inputs, label=None):
# print('input_shape:', inputs.shape) #[8, 3, 224, 224]
"""前向计算"""
out = self.convpool01(inputs)
# print('convpool01_shape:', out.shape) #[8, 64, 112, 112]
out = self.convpool02(out)
# print('convpool02_shape:', out.shape) #[8, 128, 56, 56]
out = self.convpool03(out)
# print('convpool03_shape:', out.shape) #[8, 256, 28, 28]
out = self.convpool04(out)
# print('convpool04_shape:', out.shape) #[8, 512, 14, 14]
out = self.convpool05(out)
# print('convpool05_shape:', out.shape) #[8, 512, 7, 7]
out = paddle.reshape(out, shape=[-1, 512*7*7])
out = self.fc01(out)
out = self.drop1(out)
out = self.fc02(out)
out = self.drop2(out)
out = self.fc03(out)
if label is not None:
acc = paddle.metric.accuracy(input=out, label=label)
return out, acc
else:
return out
4.3 参数配置
train_parameters =
"train_list_path": "fruits/train.txt", #train.txt路径
"eval_list_path": "fruits/test.txt", #eval.txt路径
"class_dim": 5, #分类数
# 参数配置，要保留之前数据集准备阶段配置的参数，所以使用update更新字典
train_parameters.update(
"input_size": [3, 224, 224], #输入图片的shape
"num_epochs": 35, #训练轮数
"skip_steps": 10, #训练时输出日志的间隔
"save_steps": 100, #训练时保存模型参数的间隔
"learning_strategy": #优化函数相关的配置
"lr": 0.0001 #超参数学习率
,
"checkpoints": "/home/aistudio/work/checkpoints" #保存的路径
)
4.4 模型训练
model = VGGNet()
model.train()
# 配置loss函数
cross_entropy = paddle.nn.CrossEntropyLoss()
# 配置参数优化器
optimizer = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=train_parameters['learning_strategy']['lr'],
parameters=model.parameters())
steps = 0
Iters, total_loss, total_acc = [], [], []
for epo in range(train_parameters['num_epochs']):
for _, data in enumerate(train_loader()):
steps += 1
x_data = data[0]
y_data = data[1]
predicts, acc = model(x_data, y_data)
loss = cross_entropy(predicts, y_data)
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.clear_grad()
if steps % train_parameters["skip_steps"] == 0:
Iters.append(steps)
total_loss.append(loss.numpy()[0])
total_acc.append(acc.numpy()[0])
#打印中间过程
print('epo: , step: , loss is: , acc is: '\\
.format(epo, steps, loss.numpy(), acc.numpy()))
#保存模型参数
if steps % train_parameters["save_steps"] == 0:
save_path = train_parameters["checkpoints"]+"/"+"save_dir_" + str(steps) + '.pdparams'
print('save model to: ' + save_path)
paddle.save(model.state_dict(),save_path)
paddle.save(model.state_dict(),train_parameters["checkpoints"]+"/"+"save_dir_final.pdparams")
4.5 绘制loss和acc图像
def draw_process(title,color,iters,data,label):
plt.title(title, fontsize=24)
plt.xlabel("iter", fontsize=20)
plt.ylabel(label, fontsize=20)
plt.plot(iters, data,color=color,label=label)
plt.legend()
plt.grid()
plt.show()
draw_process("trainning loss","red",Iters,total_loss,"trainning loss")
draw_process("trainning acc","green",Iters,total_acc,"trainning acc")
五. 模型评估
model__state_dict = paddle.load('work/checkpoints/save_dir_final.pdparams') # 使用保存的最后一个模型
model_eval = VGGNet()
model_eval.set_state_dict(model__state_dict)
model_eval.eval()
accs = []
# 开始评估
for _, data in enumerate(eval_loader()):
x_data = data[0]
y_data = data[1]
predicts = model_eval(x_data)
acc = paddle.metric.accuracy(predicts, y_data)
accs.append(acc.numpy()[0])
print('模型的准确率为：',np.mean(accs))
模型的准确率为： 0.9558824
六. 模
以上是关于基于卷积神经网络VGG实现水果分类识别的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Python交通标志识别基于卷积神经网络的保姆级教程（Tensorflow）
基于卷积神经网络CNN的分类研究，基于卷积神经网络的手写体识别