手把手搭建一个卷积神经网络

Posted 2022-12-11 一颗小树x

前言

本文介绍卷积神经网络的入门案例，通过搭建和训练一个模型，来对10种常见的物体进行识别分类；使用到CIFAR10数据集，它包含10 类，即：“飞机”，“汽车”，“鸟”，“猫”，“鹿”， “狗”，“青蛙”，“马”，“船”，“卡车” ；共 60000 张彩色图片；通过搭建和训练卷积神经网络模型，对图像进行分类，能识别出图像是“汽车”，或“鸟”，还是其它。

思路流程

1. 导入 CIFAR10 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）
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 CIFAR10 数据集

使用到CIFAR10数据集，它包含10 类，即：“飞机”，“汽车”，“鸟”，“猫”，“鹿”， “狗”，“青蛙”，“马”，“船”，“卡车” ；共 60000 张彩色图片；

此数据集中 50000 个样例被作为训练集（每张图片对于一个标签），剩余 10000 个样例作为测试集（每张图片也对于一个标签）。类别之间相互独立，不存在重叠的部分。使用以下代码完成数据集导入：

(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.cifar10.load_data()

二、探索集数据，并进行数据预处理

将测试集的前 30 张图片和类名打印出来

class_names = ['airplane', 'automobile', 'bird', 'cat', 'deer',
               'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck']

plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(30):
    plt.subplot(5,6,i+1)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.grid(False)
    plt.imshow(train_images[i], cmap=plt.cm.binary)
    # 由于 CIFAR 的标签是 array， 因此需要额外的索引（index）。
    plt.xlabel(class_names[train_labels[i][0]])
plt.show()

打印出来的效果是这样的： 

数据集预处理

下面进行数据集预处理，将像素的值标准化至0到1的区间内：

# 将像素的值标准化至0到1的区间内。
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0

为什么是除以255呢？由于图片的像素范围是0~255，我们把它变成0~1的范围，于是每张图像（训练集、测试集）都除以255。

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。

1）特征提取——卷积层与池化层

CNN 的输入是张量 (Tensor) 形式的 (image_height, image_width, color_channels)，包含了图像高度、宽度及颜色信息。通常图像使用 RGB 色彩模式，color_channels 为 (R,G,B) 分别对应 RGB 的三个颜色通道，即：image_height 和 image_width 根据图像的像素高度、宽度决定；color_channels是3，对应RGB的3通道。

CIFAR 数据集中的图片，形状是 (32, 32, 3)，我们可以在声明第一层时将形状赋值给参数 input_shape 。

model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(32, 32, 3)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))

查看一下网络模型：tf.keras.utils.plot_model(model) 

在上面的模型种每个 Conv2D 和 MaxPooling2D 层的输出都是一个三维的张量 (Tensor)，其形状描述了 (height, width, channels)。越深的层中，宽度和高度都会收缩。

2）实现分类——全连接层

Dense 层等同于全连接 (Full Connected) 层，通过上面的卷积层和池化层，我们已经提取到图像的特征了，下面通过搭建Dense 层实现分类。

Dense 层的输入为向量（一维），但前面层的输出是3维的张量 (Tensor) 即：(4, 4, 64)。因此您需要将三维张量展开 (Flatten) 到1维，之后再传入一个或多个 Dense 层。

model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(10))

CIFAR 数据集有 10 个类，因此您最终的 Dense 层需要 10 个输出及一个 softmax 激活函数。

查看完整的 CNN 结构：tf.keras.utils.plot_model(model) 

或者用这样方式看看：model.summary()

可以看出，在被传入两个 Dense 层之前，通过Flatten层处理后，形状为 (4, 4, 64) 的输出被展平成了形状为 (1024) 的向量。

3）编译模型

主要是为模型选择损失函数loss、优化器 optimizer、衡量指标metrics（通常用准确度accuracy 来衡量的）

model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

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_images, train_labels, epochs=10, 
                    validation_data=(test_images, test_labels))

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。

评估模型

plt.plot(history.history['accuracy'], label='accuracy')
plt.plot(history.history['val_accuracy'], label = 'val_accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([0.5, 1])
plt.legend(loc='lower right')
plt.show()

test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images,  test_labels, verbose=2)
print("测试集的准确度", test_acc)

看看效果：

五、使用模型

通常使用 model.predict( )  函数进行预测。

完成代码：

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import datasets, layers, models
import matplotlib.pyplot as plt

# 导入 CIFAR10 数据集
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.cifar10.load_data()

# 将测试集的前 30 张图片和类名打印出来
class_names = ['airplane', 'automobile', 'bird', 'cat', 'deer',
               'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck']

plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(30):
    plt.subplot(5,6,i+1)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.grid(False)
    plt.imshow(train_images[i], cmap=plt.cm.binary)
    # 由于 CIFAR 的标签是 array， 因此需要额外的索引（index）。
    plt.xlabel(class_names[train_labels[i][0]])
plt.show()

# 下面进行数据集预处理，将像素的值标准化至0到1的区间内：
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0

# 构建模型
# 1）特征提取——卷积层与池化层
model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(32, 32, 3)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
# 2）实现分类——全连接层
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(10))
# 3）编译模型
model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

# 训练模型
history = model.fit(train_images, train_labels, epochs=10, 
                    validation_data=(test_images, test_labels))

# 评估模型
plt.plot(history.history['accuracy'], label='accuracy')
plt.plot(history.history['val_accuracy'], label = 'val_accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([0.5, 1])
plt.legend(loc='lower right')
plt.show()

test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images,  test_labels, verbose=2)
print("测试集的准确度", test_acc)

参考：一篇文章“简单”认识《卷积神经网络》(更新版)

https://tensorflow.google.cn/tutorials/images/cnn

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