[Python图像识别] 五十.Keras构建AlexNet和CNN实现自定义数据集分类详解
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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[Python图像识别] 五十.Keras构建AlexNet和CNN实现自定义数据集分类详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
该系列文章是讲解Python OpenCV图像处理知识，前期主要讲解图像入门、OpenCV基础用法，中期讲解图像处理的各种算法，包括图像锐化算子、图像增强技术、图像分割等，后期结合深度学习研究图像识别、图像分类应用。希望文章对您有所帮助，如果有不足之处，还请海涵~
上一篇文章分享了生成对抗网络GAN的基础知识，包括什么是GAN、常用算法（CGAN、DCGAN、infoGAN、WGAN）、发展历程、预备知识，并通过Keras搭建最简答的手写数字图片生成案例。这篇文章将详细讲解如何利用Keras构建AlexNet和CNN模型，实现自定义数据集的图像分类，并进行详细的对比。希望对您有所帮助！让我们开始吧，且看且珍惜。
第二阶段我们进入了Python图像识别，该部分主要以目标检测、图像识别以及深度学习相关图像分类为主，将会分享近50篇文章，感谢您一如至往的支持。作者也会继续加油的！
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同时，该部分知识均为作者查阅资料撰写总结，并且开设成了收费专栏，为小宝赚点奶粉钱，感谢您的抬爱。如果有问题随时私聊我，只望您能从这个系列中学到知识，一起加油。代码下载地址（如果喜欢记得star，一定喔）：
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一.图像分类概述
1.图像分类
图像分类（Image Classification）是对图像内容进行分类的问题，它利用计算机对图像进行定量分析，把图像或图像中的区域划分为若干个类别，以代替人的视觉判断。
图像分类的传统方法是特征描述及检测，这类传统方法可能对于一些简单的图像分类是有效的，但由于实际情况非常复杂，传统的分类方法不堪重负。现在，广泛使用机器学习和深度学习的方法来处理图像分类问题，其主要任务是给定一堆输入图片，将其指派到一个已知的混合类别中的某个标签。
在图1中，图像分类模型将获取单个图像，并将为4个标签cat，dog，hat，mug分配对应的概率0.6, 0.3, 0.05, 0.05，其中0.6表示图像标签为猫的概率，其余类比。
如图1所示，该图像被表示为一个三维数组。在这个例子中，猫的图像宽度为248像素，高度为400像素，并具有红绿蓝三个颜色通道（通常称为RGB）。因此，图像由248×400×3个数字组成或总共297600个数字，每个数字是一个从0（黑色）到255（白色）的整数。图像分类的任务是将这接近30万个数字变成一个单一的标签，如“猫（cat）”。
那么，如何编写一个图像分类的算法呢？又怎么从众多图像中识别出猫呢？
这里所采取的方法和教育小孩看图识物类似，给出很多图像数据，让模型不断去学习每个类的特征。在训练之前，首先需要对训练集的图像进行分类标注，如图2所示，包括cat、dog、mug和hat四类。在实际工程中，可能有成千上万类别的物体，每个类别都会有上百万张图像。
图像分类是输入一堆图像的像素值数组，然后给它分配一个分类标签，通过训练学习来建立算法模型，接着使用该模型进行图像分类预测，具体流程如下：
- 输入：输入包含N个图像的集合，每个图像的标签是K种分类标签中的一种，这个集合称为训练集；
- 学习：第二步任务是使用训练集来学习每个类的特征，构建训练分类器或者分类模型；
- 评价：通过分类器来预测新输入图像的分类标签，并以此来评价分类器的质量。通过分类器预测的标签和图像真正的分类标签对比，从而评价分类算法的好坏。如果分类器预测的分类标签和图像真正的分类标签一致，表示预测正确，否则预测错误。
2.数据集
实验所采用的数据集为Sort_1000pics数据集，该数据集包含了1000张图片，总共分为10大类，分别是人（第0类）、沙滩（第1类）、建筑（第2类）、大卡车（第3类）、恐龙（第4类）、大象（第5类）、花朵（第6类）、马（第7类）、山峰（第8类）和食品（第9类），每类100张。如图11所示。
接着将所有各类图像按照对应的类标划分至“0”至“9”命名的文件夹中，如图12所示，每个文件夹中均包含了100张图像，对应同一类别。
比如，文件夹名称为“6”中包含了100张花的图像，如图13所示。
二.基于NB的图像分类
1.朴素贝叶斯分类算法
朴素贝叶斯分类（Naive Bayes Classifier）发源于古典数学理论，利用Bayes定理来预测一个未知类别的样本属于各个类别的可能性，选择其中可能性最大的一个类别作为该样本的最终类别。在朴素贝叶斯分类模型中，它将为每一个类别的特征向量建立服从正态分布的函数，给定训练数据，算法将会估计每一个类别的向量均值和方差矩阵，然后根据这些进行预测。
朴素贝叶斯分类模型的正式定义如下：
该算法的特点为：如果没有很多数据，该模型会比很多复杂的模型获得更好的性能，因为复杂的模型用了太多假设，以致产生欠拟合。
2.代码实现
下面是调用朴素贝叶斯算法进行图像分类的完整代码，调用sklearn.naive_bayes中的BernoulliNB()函数进行实验。它将1000张图像按照训练集为70%，测试集为30%的比例随机划分，再获取每张图像的像素直方图，根据像素的特征分布情况进行图像分类分析。
注意：机器学习代码是统计灰度直方图，再进行的图像分类预测。而后续深度学习采用读取图像像素，对其进行分类的。
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Apr 8 22:02:29 2022
@author: xiuzhang
"""
import os
import cv2
import numpy as np
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report
#----------------------------------------------------------------------------------
# 第一步 切分训练集和测试集
#----------------------------------------------------------------------------------
X = [] #定义图像名称
Y = [] #定义图像分类类标
Z = [] #定义图像像素
for i in range(0, 10):
#遍历文件夹，读取图片
for f in os.listdir("data/%s" % i):
#获取图像名称
X.append("data//" +str(i) + "//" + str(f))
#获取图像类标即为文件夹名称
Y.append(i)
X = np.array(X)
Y = np.array(Y)
#随机率为100% 选取其中的30%作为测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y,
test_size=0.3, random_state=1)
print(len(X_train), len(X_test), len(y_train), len(y_test))
#----------------------------------------------------------------------------------
# 第二步 图像读取及转换为像素直方图
#----------------------------------------------------------------------------------
#训练集
XX_train = []
for i in X_train:
#读取图像
image = cv2.imread(i)
#图像像素大小一致
img = cv2.resize(image, (256,256),
interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
#计算图像直方图并存储至X数组
hist = cv2.calcHist([img], [0,1], None,
[256,256], [0.0,255.0,0.0,255.0])
XX_train.append(((hist/255).flatten()))
#测试集
XX_test = []
for i in X_test:
#读取图像
image = cv2.imread(i)
#图像像素大小一致
img = cv2.resize(image, (256,256),
interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
#计算图像直方图并存储至X数组
hist = cv2.calcHist([img], [0,1], None,
[256,256], [0.0,255.0,0.0,255.0])
XX_test.append(((hist/255).flatten()))
#----------------------------------------------------------------------------------
# 第三步 基于朴素贝叶斯的图像分类处理
#----------------------------------------------------------------------------------
from sklearn.naive_bayes import BernoulliNB
clf = BernoulliNB().fit(XX_train, y_train)
predictions_labels = clf.predict(XX_test)
print('预测结果:')
print(predictions_labels)
print('算法评价:')
print(classification_report(y_test, predictions_labels,digits=4))
#输出前10张图片及预测结果
k = 0
while k<10:
#读取图像
print(X_test[k])
image = cv2.imread(X_test[k])
print(predictions_labels[k])
#显示图像
cv2.imshow("img", image)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
k = k + 1
3.结果评估
输出结果如下所示：
700 300 700 300
预测结果:
[7 8 4 3 2 9 2 4 3 9 4 9 0 3 0 8 8 5 7 4 9 4 2 5 4 1 2 7 2 3 9 7 7 4 8 2 2
5 7 4 1 6 9 2 9 2 5 2 4 3 2 0 6 0 1 4 8 6 4 9 3 2 3 7 8 5 4 8 0 2 2 8 2 9
4 2 1 8 3 5 2 7 7 7 9 9 4 8 2 5 6 1 5 9 4 8 5 8 2 8 3 2 9 8 4 5 2 5 4 9 4
9 9 0 1 0 7 4 1 7 2 3 9 1 4 6 7 7 4 9 9 2 6 0 9 2 7 8 8 7 2 8 9 5 6 7 7 9
5 2 3 9 1 0 3 5 7 8 0 2 8 2 1 6 5 4 2 5 7 8 2 2 8 4 5 2 1 9 8 9 2 0 7 6 2
8 2 4 5 0 6 1 2 1 9 4 5 5 6 2 3 7 9 0 5 7 0 0 3 4 7 3 8 4 6 8 3 1 9 9 8 8
8 9 5 7 0 7 9 8 2 3 8 4 5 9 0 7 2 0 8 5 3 4 4 8 8 4 8 7 2 0 4 7 0 6 9 8 8
7 8 8 1 0 7 4 3 4 4 8 4 0 8 5 9 7 8 2 6 0 7 8 3 7 5 2 8 1 4 9 6 5 5 1 8 4
4 0 2 3]
算法评价:
precision recall f1-score support
0 0.5000 0.3871 0.4364 31
1 0.6471 0.3548 0.4583 31
2 0.4651 0.7692 0.5797 26
3 0.8095 0.5862 0.6800 29
4 0.7692 0.9375 0.8451 32
5 0.5714 0.4706 0.5161 34
6 0.8667 0.4333 0.5778 30
7 0.5588 0.7308 0.6333 26
8 0.4773 0.6774 0.5600 31
9 0.6571 0.7667 0.7077 30
accuracy 0.6067 300
macro avg 0.6322 0.6114 0.5994 300
weighted avg 0.6340 0.6067 0.5984 300
三.基于CNN的图像分类
1.卷积神经网络概念
卷积神经网络的英文是Convolutional Neural Network，简称CNN。它通常应用于图像识别和语音识等领域，并能给出更优秀的结果，也可以应用于视频分析、机器翻译、自然语言处理、药物发现等领域。著名的阿尔法狗让计算机看懂围棋就是基于卷积神经网络的。
神经网络是由很多神经层组成，每一层神经层中存在很多神经元，这些神经元是识别事物的关键，当输入是图片时，其实就是一堆数字。
首先，卷积是什么意思呢？
卷积是指不在对每个像素做处理，而是对图片区域进行处理，这种做法加强了图片的连续性，看到的是一个图形而不是一个点，也加深了神经网络对图片的理解。
卷积神经网络批量过滤器，持续不断在图片上滚动搜集信息，每一次搜索都是一小块信息，整理这一小块信息之后得到边缘信息。比如第一次得出眼睛鼻子轮廓等，再经过一次过滤，将脸部信息总结出来，再将这些信息放到全神经网络中进行训练，反复扫描最终得出的分类结果。如下图所示，猫的一张照片需要转换为数学的形式，这里采用长宽高存储，其中黑白照片的高度为1，彩色照片的高度为3(RGB)。
过滤器搜集这些信息，将得到一个更小的图片，再经过压缩增高信息嵌入到普通神经层上，最终得到分类的结果，这个过程即是卷积。Convnets是一种在空间上共享参数的神经网络，如下图所示，它将一张RGB图片进行压缩增高，得到一个很长的结果。
一个卷积网络是组成深度网络的基础，我们将使用数层卷积而不是数层的矩阵相乘。如上图所示，让它形成金字塔形状，金字塔底是一个非常大而浅的图片，仅包括红绿蓝，通过卷积操作逐渐挤压空间的维度，同时不断增加深度，使深度信息基本上可以表示出复杂的语义。同时，你可以在金字塔的顶端实现一个分类器，所有空间信息都被压缩成一个标识，只有把图片映射到不同类的信息保留，这就是CNN的总体思想。
2.代码实现
CNN代码如下所示：
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Apr 8 22:01:24 2022
@author: xiuzhang
"""
import os
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report
from keras.utils import np_utils
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation, BatchNormalization, Dropout
from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, GlobalAveragePooling2D
from keras.callbacks import ModelCheckpoint
from keras.callbacks import EarlyStopping
#-----------------------------------------------------------------------
# 第一步 切分训练集和测试集
#-----------------------------------------------------------------------
X = [] #定义图像名称
Y = [] #定义图像分类类标
Z = [] #定义图像像素
for i in range(0, 10):
#遍历文件夹，读取图片
for f in os.listdir("data/%s" % i):
#获取图像名称
X.append("data//" +str(i) + "//" + str(f))
#获取图像类标即为文件夹名称
Y.append(i)
X = np.array(X)
Y = np.array(Y)
#随机率为100% 选取其中的30%作为测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y,
test_size=0.3, random_state=1)
print(len(X_train), len(X_test), len(y_train), len(y_test))
#------------------------------------------------------------------------
# 第二步 图像读取及转换为像素直方图
#------------------------------------------------------------------------
#训练集
XX_train = []
for i in X_train:
image = cv2.imread(i)
img = cv2.resize(image,(128,128),interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
res = img.astype('float32')/255.0
#print(img)
#print(img.shape) #(256, 256, 3)
#print(res)
XX_train.append(res)
#测试集
XX_test = []
for i in X_test:
image = cv2.imread(i)
img = cv2.resize(image,(128,128),interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
res = img.astype('float32')/255.0
XX_test.append(res)
train_images_scaled = np.array(XX_train)
test_images_scaled = np.array(XX_test)
for n in train_images_scaled:
print(n)
break
print(type(train_images_scaled))
print(train_images_scaled.shape,test_images_scaled.shape)
# <class 'numpy.ndarray'>
# (700, 256, 256, 3) (300, 256, 256, 3)
#将类向量转化为类矩阵 [0 0 0 0 0 1 0 0 0 0]
train_labels_encoded = np_utils.to_categorical(y_train, num_classes=10)
test_labels_encoded = np_utils.to_categorical(y_test, num_classes=10)
print(train_labels_encoded.shape, test_labels_encoded.shape)
#---------------------------------------------------------------------
# 第三步 CNN模型设计
#---------------------------------------------------------------------
#定义模型
def create_model(optimizer='adam', kernel_initializer='he_normal', activation='relu'):
model = Sequential()
model.add(Conv2D(filters=128,
kernel_size=16,
padding='same',
input_shape=以上是关于[Python图像识别] 五十.Keras构建AlexNet和CNN实现自定义数据集分类详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
[Python图像识别] 四十七.Keras深度学习构建CNN识别阿拉伯手写文字图像
[Python人工智能] 三十.Keras深度学习构建CNN识别阿拉伯手写文字图像
Python学习记录 使用tensorflow 2.8 完成猫狗识别 使用keras构建CNN神经网络