AI：拿来主义——预训练网络

Posted 2020-11-27 renyuzhuo

我们已经训练过几个神经网络了，识别手写数字，房价预测或者是区分猫和狗，那随之而来就有一个问题，这些训练出的网络怎么用，每个问题我都需要重新去训练网络吗？因为程序员都不太喜欢做重复的事情，因此答案肯定是已经有轮子了。

我们先来介绍一个数据集，ImageNet。这就不得不提一个大名鼎鼎的华裔 AI 科学家李飞飞。

2005 年左右，李飞飞结束了他的博士生涯，开始了他的学术研究不就她就意识到了一个问题，在此之前，人们都尽可能优化算法，认为无论数据如何，只要算法够好，就能做出更好的决策，李飞飞意识到了这个问题的局限性，恰巧她还是一个行动派，她要做出一个无比庞大的数据集，尽可能描述世界上一切物体的数据集，下载图片，给没一张图片做标注，简单而无聊，当然后来这项工作放到了亚马逊的众包平台上，全世界无数的人参与了这个伟大的项目，到此刻为止，已经有 14,197,122 张图片（一千四百万张），21841 个分类。在这个发展的过程中，人们也发现了这个数据集带来的成功远比预想的要多，甚至现在被认为最有前景的深度卷积神经网络的提出也与 ImageNet 不无关系。我忘记了谁这么说过：“就单单这一个数据集，就可以让李飞飞数据科学这个领域拥有一席之地”。暂且不说这么说是否准确，但这个数据集仍然在创造新的突破。（我曾经在台下听过李飞飞一次演讲，现在想想还觉得甚是激动，她真的充满热情）。

基于这个数据集，我们是不是可以训练出一些网络，一般情况下，大家就不用耗时再去训练网络了呢？答案是肯定的，并且在 Keras 就有个一些这样的模型，还是内置的，Keras 就是这么懂你，那就不用客气了，我们拿来用就好了，谢谢啦！

特征提取

我们之前用到的卷积神经网络都是分成了两部分，第一部分是由池化层和卷积层组成的卷积积，第二部分是由分类器，特征提取的含义就是第一部分不变，改变第二部分。

为什么可以这么做？我们之前解释过神经网络的运行原理，跟人脑的认识过程非常类似，还记得吗？我们还是看一看原来的图吧。

我们可以看出来，网络识别图像是有层次结构的，比如一开始的网络层是用来识别图像或者拼装线条的，这是通用且类似的，因此我们可以复用。而后面的分类器往往是根据具体的问题所决定的，比如识别猫或狗的眼睛就与识别桌子腿是不一样的，因此有越靠前越具有通用性的特点。Keras 中很多的内置模型都可以直接下载，如果你没有下载在使用的时候会自动下载：

https://github.com/fchollet/deep-learning-models/releases

我们举一个例子，用 VGG16 去识别猫或狗，这次的解释都比较简单且都是以前说明过的，因此放在代码注释中：

#!/usr/bin/env python3
?
import os
import time
?
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from keras import layers
from keras import models
from keras import optimizers
from keras.applications import VGG16
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
?
?
def extract_features(directory, sample_count):
    # 图片转换区间
    datagen = ImageDataGenerator(rescale=1. / 255)
    batch_size = 20
    conv_base = VGG16(weights='imagenet',
                      include_top=False,
                      input_shape=(150, 150, 3))
?
    conv_base.summary()
?
    features = np.zeros(shape=(sample_count, 4, 4, 512))
    labels = np.zeros(shape=(sample_count))
    # 读出图片，处理成神经网络需要的数据格式，上一篇文章中有介绍
    generator = datagen.flow_from_directory(
        directory,
        target_size=(150, 150),
        batch_size=batch_size,
        class_mode='binary')
    i = 0
    for inputs_batch, labels_batch in generator:
        print(i, '/', len(generator))
        # 提取特征
        features_batch = conv_base.predict(inputs_batch)
        features[i * batch_size: (i + 1) * batch_size] = features_batch
        labels[i * batch_size: (i + 1) * batch_size] = labels_batch
        i += 1
        if i * batch_size >= sample_count:
            break
?
    # 特征和标签
    return features, labels
?
?
def cat():
    base_dir = '/Users/renyuzhuo/Desktop/cat/dogs-vs-cats-small'
    train_dir = os.path.join(base_dir, 'train')
    validation_dir = os.path.join(base_dir, 'validation')
?
    # 提取出的特征
    train_features, train_labels = extract_features(train_dir, 2000)
    validation_features, validation_labels = extract_features(validation_dir, 1000)
?
    # 对特征进行变形展平
    train_features = np.reshape(train_features, (2000, 4 * 4 * 512))
    validation_features = np.reshape(validation_features, (1000, 4 * 4 * 512))
?
    # 定义密集连接分类器
    model = models.Sequential()
    model.add(layers.Dense(256, activation='relu', input_dim=4 * 4 * 512))
    model.add(layers.Dropout(0.5))
    model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid'))
?
    # 对模型进行配置
    model.compile(optimizer=optimizers.RMSprop(lr=2e-5),
                  loss='binary_crossentropy',
                  metrics=['acc'])
?
    # 对模型进行训练
    history = model.fit(train_features, train_labels,
                        epochs=30,
                        batch_size=20,
                        validation_data=(validation_features, validation_labels))
?
    # 画图
    acc = history.history['acc']
    val_acc = history.history['val_acc']
    loss = history.history['loss']
    val_loss = history.history['val_loss']
    epochs = range(1, len(acc) + 1)
    plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='Training acc')
    plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='Validation acc')
    plt.title('Training and validation accuracy')
    plt.legend()
    plt.show()
    plt.figure()
    plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss')
    plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss')
    plt.title('Training and validation loss')
    plt.legend()
    plt.show()
?
?
if __name__ == "__main__":
    time_start = time.time()
    cat()
    time_end = time.time()
    print('Time Used: ', time_end - time_start)?

有点巧合的是这里居然看不到太多的过拟合的痕迹，其实也是有可能会有过拟合的隐患的，那样就需要进行数据增强，与以前是一样的，只不过这里的区别就是用到了内置模型，模型的参数需要冻结，我们是不希望对已经训练好的模型进行更改的，具体关键代码写法如下：

conv_base.trainable = False
?
model = models.Sequential()
model.add(conv_base)
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(256, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid'))

以上就是模型复用的一种方法，我们对模型都是原封不动的拿来用，我们下一篇文章将介绍另外一种方法，对模型进行微调。

首发自公众号：RAIS