卷积神经网络（CNN）车牌识别

文章目录

• 一、前言
• 二、前期工作
• • [1. 设置GPU（如果使用的是CPU可以忽略这步）](#1. 设置GPU（如果使用的是CPU可以忽略这步）)
  • [2. 导入数据](#2. 导入数据)
  • [3. 查看数据](#3. 查看数据)
  • 3.数据可视化
  • 4.标签数字化
• 二、构建一个tf.data.Dataset
• • 1.预处理函数
  • 2.加载数据
  • 3.配置数据
• 三、搭建网络模型
• 四、设置动态学习率
• 五、编译
• 六、训练
• 八、保存和加载模型
• 九、预测

一、前言

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

往期精彩内容：

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来自专栏： 机器学习与深度学习算法推荐

二、前期工作

1. 设置GPU（如果使用的是CPU可以忽略这步）

import tensorflow as tf

gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True)  #设置GPU显存用量按需使用
    tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")

2. 导入数据

数据集链接

import matplotlib.pyplot as plt
# 支持中文
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

import os,PIL,random,pathlib

# 设置随机种子尽可能使结果可以重现
import numpy as np
np.random.seed(1)

# 设置随机种子尽可能使结果可以重现
import tensorflow as tf
tf.random.set_seed(1)

data_dir = "015_licence_plate"
data_dir = pathlib.Path(data_dir)

pictures_paths = list(data_dir.glob('*'))
pictures_paths = [str(path) for path in pictures_paths]
pictures_paths[:3]

3. 查看数据

image_count = len(list(pictures_paths))

print("图片总数为：",image_count)

图片总数为： 13056

# 获取数据标签
all_label_names = [path.split("_")[-1].split(".")[0] for path in pictures_paths]
all_label_names[:3]

['川W9BR26', '沪E264UD', '浙E198UJ']

3.数据可视化

plt.figure(figsize=(10,5))
plt.suptitle("数据示例",fontsize=15)

for i in range(20):
    plt.subplot(5,4,i+1)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.grid(False)
    
    # 显示图片
    images = plt.imread(pictures_paths[i])
    plt.imshow(images)
    # 显示标签
    plt.xlabel(all_label_names[i],fontsize=13)

plt.show()

4.标签数字化

char_enum = ["京","沪","津","渝","冀","晋","蒙","辽","吉","黑","苏","浙","皖","闽","赣","鲁",\
              "豫","鄂","湘","粤","桂","琼","川","贵","云","藏","陕","甘","青","宁","新","军","使"]

number   = [str(i) for i in range(0, 10)]    # 0 到 9 的数字
alphabet = [chr(i) for i in range(65, 91)]   # A 到 Z 的字母

char_set       = char_enum + number + alphabet
char_set_len   = len(char_set)
label_name_len = len(all_label_names[0])

# 将字符串数字化
def text2vec(text):
    vector = np.zeros([label_name_len, char_set_len])
    for i, c in enumerate(text):
        idx = char_set.index(c)
        vector[i][idx] = 1.0
    return vector

all_labels = [text2vec(i) for i in all_label_names]

二、构建一个tf.data.Dataset

1.预处理函数

def preprocess_image(image):
    image = tf.image.decode_jpeg(image, channels=1)
    image = tf.image.resize(image, [50, 200])
    return image/255.0

def load_and_preprocess_image(path):
    image = tf.io.read_file(path)
    return preprocess_image(image)

2.加载数据

构建 tf.data.Dataset 最简单的方法就是使用 from_tensor_slices 方法。

AUTOTUNE = tf.data.experimental.AUTOTUNE

path_ds  = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(pictures_paths)
image_ds = path_ds.map(load_and_preprocess_image, num_parallel_calls=AUTOTUNE)
label_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(all_labels)

image_label_ds = tf.data.Dataset.zip((image_ds, label_ds))
image_label_ds

train_ds = image_label_ds.take(5000).shuffle(5000)  # 前1000个batch
val_ds   = image_label_ds.skip(5000).shuffle(1000)  # 跳过前1000，选取后面的

3.配置数据

BATCH_SIZE = 16

train_ds = train_ds.batch(BATCH_SIZE)
train_ds = train_ds.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)

val_ds = val_ds.batch(BATCH_SIZE)
val_ds = val_ds.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds

三、搭建网络模型

目前这里主要是带大家跑通代码、整理一下思路，大家可以自行优化网络结构、调整模型参数。后续我也会针对性的出一些调优的案例的。

from tensorflow.keras import datasets, layers, models

model = models.Sequential([
    
    layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(50, 200, 1)),#卷积层1，卷积核3*3
    layers.MaxPooling2D((2, 2)),                   #池化层1，2*2采样
    layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'),  #卷积层2，卷积核3*3
    layers.MaxPooling2D((2, 2)),                   #池化层2，2*2采样
    
    layers.Flatten(),                              #Flatten层，连接卷积层与全连接层
#     layers.Dense(1000, activation='relu'),         #全连接层，特征进一步提取
    layers.Dense(1000, activation='relu'),         #全连接层，特征进一步提取
    layers.Dropout(0.3),  
    layers.Dense(label_name_len * char_set_len),
    layers.Reshape([label_name_len, char_set_len]),
    layers.Softmax()                               #输出层，输出预期结果
])
# 打印网络结构
model.summary()

Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
conv2d (Conv2D)              (None, 48, 198, 32)       320       
_________________________________________________________________
max_pooling2d (MaxPooling2D) (None, 24, 99, 32)        0         
_________________________________________________________________
conv2d_1 (Conv2D)            (None, 22, 97, 64)        18496     
_________________________________________________________________
max_pooling2d_1 (MaxPooling2 (None, 11, 48, 64)        0         
_________________________________________________________________
flatten (Flatten)            (None, 33792)             0         
_________________________________________________________________
dense (Dense)                (None, 1000)              33793000  
_________________________________________________________________
dropout (Dropout)            (None, 1000)              0         
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 483)               483483    
_________________________________________________________________
reshape (Reshape)            (None, 7, 69)             0         
_________________________________________________________________
softmax (Softmax)            (None, 7, 69)             0         
=================================================================
Total params: 34,295,299
Trainable params: 34,295,299
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

四、设置动态学习率

这里先罗列一下学习率大与学习率小的优缺点。

• 学习率大
  • 优点： 1、加快学习速率。 2、有助于跳出局部最优值。
  • 缺点： 1、导致模型训练不收敛。 2、单单使用大学习率容易导致模型不精确。
• 学习率小
  • 优点： 1、有助于模型收敛、模型细化。 2、提高模型精度。
  • 缺点： 1、很难跳出局部最优值。 2、收敛缓慢。

注意：这里设置的动态学习率为：指数衰减型（ExponentialDecay）。在每一个epoch开始前，学习率（learning_rate）都将会重置为初始学习率（initial_learning_rate），然后再重新开始衰减。计算公式如下：

learning_rate = initial_learning_rate * decay_rate ^ (step / decay_steps)

# 设置初始学习率
initial_learning_rate = 1e-3

lr_schedule = tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
        initial_learning_rate, 
        decay_steps=50,      # 敲黑板！！！这里是指 steps，不是指epochs
        decay_rate=0.96,     # lr经过一次衰减就会变成 decay_rate*lr
        staircase=True)

# 将指数衰减学习率送入优化器
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=lr_schedule)

五、编译

model.compile(optimizer=optimizer,
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

六、训练

epochs = 50

history = model.fit(
    train_ds,
    validation_data=val_ds,
    epochs=epochs
)

八、保存和加载模型

# 保存模型
model.save('model/15_model.h5')

# 加载模型
new_model = tf.keras.models.load_model('model/15_model.h5')

九、预测

def vec2text(vec):
    """
    还原标签（向量->字符串）
    """
    text = []
    for i, c in enumerate(vec):
        text.append(char_set[c])
    return "".join(text)

plt.figure(figsize=(10, 8))            # 图形的宽为10高为8


for images, labels in val_ds.take(1):
    for i in range(6):
        ax = plt.subplot(5, 2, i + 1)  
        # 显示图片
        plt.imshow(images[i])

        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(images[i], 0) 

        # 使用模型预测验证码
        predictions = model.predict(img_array)
        plt.title(vec2text(np.argmax(predictions, axis=2)[0]),fontsize=15)

        plt.axis("off")