卷积神经网络（VGG-16）猫狗识别

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)
• 二、数据预处理
• • [1. 加载数据](#1. 加载数据)
  • [2. 再次检查数据](#2. 再次检查数据)
  • [3. 配置数据集](#3. 配置数据集)
  • [4. 可视化数据](#4. 可视化数据)
• 三、构建VG-16网络
• 四、编译
• 五、训练模型
• 六、模型评估
• 七、保存and加载模型
• 八、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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• 卷积神经网络（CNN）多种图片分类的实现
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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")

# 打印显卡信息，确认GPU可用
print(gpus)

2. 导入数据

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

# 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)

#隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

import pathlib

image_count = len(list(data_dir.glob('*/*')))

print("图片总数为：",image_count)

3. 查看数据

image_count = len(list(pictures_dir.glob('*.png')))
print("图片总数为：",image_count)

图片总数为： 3400

二、数据预处理

1. 加载数据

使用image_dataset_from_directory方法将磁盘中的数据加载到tf.data.Dataset中

batch_size = 8
img_height = 224
img_width = 224

TensorFlow版本是2.2.0的同学可能会遇到module 'tensorflow.keras.preprocessing' has no attribute 'image_dataset_from_directory'的报错，升级一下TensorFlow就OK了。

train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="training",
    seed=12,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

Found 3400 files belonging to 2 classes.
Using 2720 files for training.

val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=12,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

Found 3400 files belonging to 2 classes.
Using 680 files for validation.

我们可以通过class_names输出数据集的标签。标签将按字母顺序对应于目录名称。

class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

['cat', 'dog']

2. 再次检查数据

for image_batch, labels_batch in train_ds:
    print(image_batch.shape)
    print(labels_batch.shape)
    break

(8, 224, 224, 3)
(8,)

• Image_batch是形状的张量（8, 224, 224, 3)。这是一批形状224x224x3的8张图片（最后一维指的是彩色通道RGB）。
• Label_batch是形状（8，）的张量，这些标签对应8张图片

3. 配置数据集

AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

def preprocess_image(image,label):
    return (image/255.0,label)

# 归一化处理
train_ds = train_ds.map(preprocess_image, num_parallel_calls=AUTOTUNE)
val_ds   = val_ds.map(preprocess_image, num_parallel_calls=AUTOTUNE)

train_ds = train_ds.cache().shuffle(1000).prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds   = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)

4. 可视化数据

plt.figure(figsize=(15, 10))  # 图形的宽为15高为10

for images, labels in train_ds.take(1):
    for i in range(8):
        
        ax = plt.subplot(5, 8, i + 1) 
        plt.imshow(images[i])
        plt.title(class_names[labels[i]])
        
        plt.axis("off")

三、构建VG-16网络

VGG优缺点分析：

• VGG优点

VGG的结构非常简洁，整个网络都使用了同样大小的卷积核尺寸（3x3）和最大池化尺寸（2x2）。

• VGG缺点

1)训练时间过长，调参难度大。2)需要的存储容量大，不利于部署。例如存储VGG-16权重值文件的大小为500多MB，不利于安装到嵌入式系统中。

结构说明：

• 13个卷积层（Convolutional Layer），分别用blockX_convX表示
• 3个全连接层（Fully connected Layer），分别用fcX与predictions表示
• 5个池化层（Pool layer），分别用blockX_pool表示

VGG-16包含了16个隐藏层（13个卷积层和3个全连接层），故称为VGG-16

from tensorflow.keras import layers, models, Input
from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Dense, Flatten, Dropout

def VGG16(nb_classes, input_shape):
    input_tensor = Input(shape=input_shape)
    # 1st block
    x = Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block1_conv1')(input_tensor)
    x = Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block1_conv2')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block1_pool')(x)
    # 2nd block
    x = Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block2_conv1')(x)
    x = Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block2_conv2')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block2_pool')(x)
    # 3rd block
    x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv1')(x)
    x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv2')(x)
    x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block3_pool')(x)
    # 4th block
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv1')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv2')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block4_pool')(x)
    # 5th block
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv1')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv2')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block5_pool')(x)
    # full connection
    x = Flatten()(x)
    x = Dense(4096, activation='relu',  name='fc1')(x)
    x = Dense(4096, activation='relu', name='fc2')(x)
    output_tensor = Dense(nb_classes, activation='softmax', name='predictions')(x)

    model = Model(input_tensor, output_tensor)
    return model

model=VGG16(1000, (img_width, img_height, 3))
model.summary()

四、编译

在准备对模型进行训练之前，还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的：

• 损失函数（loss）：用于衡量模型在训练期间的准确率。
• 优化器（optimizer）：决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
• 评价函数（metrics）：用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率，即被正确分类的图像的比率。

model.compile(optimizer="adam",
              loss     ='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics  =['accuracy'])

五、训练模型

from tqdm import tqdm
import tensorflow.keras.backend as K

epochs = 10
lr     = 1e-4

# 记录训练数据，方便后面的分析
history_train_loss     = []
history_train_accuracy = []
history_val_loss       = []
history_val_accuracy   = []

for epoch in range(epochs):
    train_total = len(train_ds)
    val_total   = len(val_ds)
    
    """
    total：预期的迭代数目
    ncols：控制进度条宽度
    mininterval：进度更新最小间隔，以秒为单位（默认值：0.1）
    """
    with tqdm(total=train_total, desc=f'Epoch {epoch + 1}/{epochs}',mininterval=1,ncols=100) as pbar:
        
        lr = lr*0.92
        K.set_value(model.optimizer.lr, lr)
        
        for image,label in train_ds:      
            history = model.train_on_batch(image,label)
            
            train_loss     = history[0]
            train_accuracy = history[1]
            
            pbar.set_postfix({"loss": "%.4f"%train_loss,
                              "accuracy":"%.4f"%train_accuracy,
                              "lr": K.get_value(model.optimizer.lr)})
            pbar.update(1)
        history_train_loss.append(train_loss)
        history_train_accuracy.append(train_accuracy)
   print('开始验证！')
    
    with tqdm(total=val_total, desc=f'Epoch {epoch + 1}/{epochs}',mininterval=0.3,ncols=100) as pbar:

        for image,label in val_ds:      
            
            history = model.test_on_batch(image,label)
            
            val_loss     = history[0]
            val_accuracy = history[1]
            
            pbar.set_postfix({"loss": "%.4f"%val_loss,
                              "accuracy":"%.4f"%val_accuracy})
            pbar.update(1)
        history_val_loss.append(val_loss)
        history_val_accuracy.append(val_accuracy)
            
    print('结束验证！')
    print("验证loss为：%.4f"%val_loss)
    print("验证准确率为：%.4f"%val_accuracy)

六、模型评估

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, history_train_accuracy, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, history_val_accuracy, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, history_train_loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, history_val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

七、保存and加载模型

# 保存模型
model.save('model/21_model.h5')

# 加载模型
new_model = tf.keras.models.load_model('model/21_model.h5')

八、预测

# 采用加载的模型（new_model）来看预测结果

plt.figure(figsize=(18, 3))  # 图形的宽为18高为5
plt.suptitle("预测结果展示")

for images, labels in val_ds.take(1):
    for i in range(8):
        ax = plt.subplot(1,8, i + 1)  
        
        # 显示图片
        plt.imshow(images[i].numpy())
        
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(images[i], 0) 
        
        # 使用模型预测图片中的人物
        predictions = new_model.predict(img_array)
        plt.title(class_names[np.argmax(predictions)])

        plt.axis("off")