【神经网络】基于CNN（卷积神经网络）构建猫狗分类模型

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解决问题

针对经典猫狗数据集，基于卷积神经网络，构建猫狗二元分类模型，使用数据集进行参数训练，模型评估，然后使用模型进行分类预测，最后对模型进行保存，供后续使用。

数据集

数据集来源

探索性数据分析

查看待训练识别图片

from matplotlib import pyplot as plt
import os
import random

# 获取文件名
_,_,cat_images = next(os.walk('../../dataset/kagglecatsanddogs_5340/PetImages/Cat'))

# 准备3*3 图表
fig, ax = plt.subplots(3, 3, figsize=(20, 10))
# 随机选择一幅图像并绘制
for idx, img in enumerate(random.sample(cat_images, 9)):
    img_read = plt.imread('../../dataset/kagglecatsanddogs_5340/PetImages/Cat/' + img)
    ax[int(idx / 3), idx % 3].imshow(img_read)
    ax[int(idx / 3), idx % 3].set_title('cat/' + img)
    ax[int(idx / 3), idx % 3].axis('off')
plt.show()

查看狗图片类似，将Cat目录换成Dog即可

数据预处理

数据集分割

由于下载的图片猫和狗各在一个文件夹内，如下：

需要将数据按80%：20%进行分割，分为训练集和测试集。目录结构如下：

下面进行数据拆分，核心代码（以猫图片为例）如下：

# 训练数据集80% 测试数据集20%
train_size = 0.8
# 获取猫图像数量
_, _, cat_images = next(os.walk(src_folder+'Cat/'))
num_cat_images = len(cat_images)
num_cat_images_train = int(train_size * num_cat_images)
num_cat_images_test = num_cat_images - num_cat_images_train
# 分割猫图像
cat_train_images = random.sample(cat_images, num_cat_images_train)
for img in cat_train_images:
	shutil.copy(src=src_folder+'Cat/'+img, dst=src_folder+'Train/Cat/')
cat_test_images  = [img for img in cat_images if img not in cat_train_images]
for img in cat_test_images:
	shutil.copy(src=src_folder+'Cat/'+img, dst=src_folder+'Test/Cat/')

数据预处理

这一步要将分割后的数据集转成和模型结构匹配的数据类型。使用keras提供的ImageDataGenerator类和flow_from_directory（）方法

ImageDataGenerator类：图像增强类，可以进行图像旋转、图像平移、水平翻转、图像缩放等操作；

flow_from_directory（）方法：ImageDataGenerator类的方法，支持以图像路径为输入，按批次加载图像到内存，防止训练数据量过大，机器内存不足问题；还支持对图像进行预处理操作，例如尺寸缩放和图像增强

# 训练数据预处理
training_data_generator = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
training_set = training_data_generator.flow_from_directory('../../dataset/kagglecatsanddogs_5340/PetImages/train/',target_size=(32, 32),batch_size=16,class_mode='binary')

# 测试数据预处理
testing_data_generator = ImageDataGenerator(rescale= 1./255)
testing_set = testing_data_generator.flow_from_directory('../../dataset/kagglecatsanddogs_5340/PetImages/test/',target_size=(32, 32),batch_size=16, class_mode='binary')

构建模型并训练

构建模型

# 定义超参数
# 特征滤波器尺寸
FILTER_SIZE = 3
# 特征滤波器数量
FILTER_NUM = 32
# 图片输入尺寸
INPUT_SIZE = 32
# 最大池化尺寸
MAXPOOL_SIZE = 2
# 批量处理图片的大小
BATCH_SIZE = 16
STEPS_PER_EPOCH = 20000 // BATCH_SIZE
# 训练轮次
EPOCHS = 10
# 定义模型
model = Sequential()
# 添加卷积、池化层 提取特征
model.add(Conv2D(FILTER_NUM, (FILTER_SIZE, FILTER_SIZE), input_shape=(INPUT_SIZE, INPUT_SIZE, 3), activation='relu'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(MAXPOOL_SIZE,MAXPOOL_SIZE)))
# 再添加卷积、池化层 提取特征
model.add(Conv2D(FILTER_NUM, (FILTER_SIZE, FILTER_SIZE), input_shape=(INPUT_SIZE, INPUT_SIZE, 3), activation='relu'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(MAXPOOL_SIZE,MAXPOOL_SIZE)))
# 对输出结果进行降维处理，转成一维张量
model.add(Flatten())
# 添加全链接层，根据特征进行分类预测
model.add(Dense(units=128, activation='relu'))
# 添加dropout层，随机将一部分输入设置为0，防止模型复杂，出现过拟合现象
model.add(Dropout(0.5))
# 添加输出层，一个节点
model.add(Dense(units=1, activation='sigmoid'))

该模型结构分为，卷积池化层，卷积池化层，Flatten层，全链接层1，全链接层2（输出层）如下：

其中，第一列是神经网络的层，第二列是每层的输出形状，第三层是每层训练的参数

可以看到，该模型图像输入尺寸是（32,32），经过一层卷积（32个特征过滤器）输出为（30,30,32），经过一层最大池化层，输出为（15,15,32）；其中特征滤波器尺寸为3*3,所以滤波后的尺寸会是32-（3-1）=30，经过最大池化（2x2）尺寸减半，为15。

训练模型

# 模型训练
model.fit(training_set, steps_per_epoch=STEPS_PER_EPOCH, epochs=EPOCHS, verbose=1)

结果分析与评估

model.evaluate(testing_set,steps=len(testing_set),verbose=1)

准确度达到了0.7856

模型保存

from joblib import dump, load

# 模型持久化 到磁盘
dump(model, './猫狗分类.onnx')

结果预测

引入保存模型，随机选取一张图片进行预测分类

from matplotlib import pyplot as plt
fig, ax = plt.subplots()
img = plt.imread('../../dataset/kagglecatsanddogs_5340/PetImages/Dog/6.jpg')
ax.imshow(img)
plt.show()

from joblib import dump, load
model = load('./猫狗分类.onnx')

from tensorflow.keras.preprocessing.image import img_to_array,load_img

img = load_img('../../dataset/kagglecatsanddogs_5340/PetImages/Dog/6.jpg',target_size=(32,32))
img = img_to_array(img)
img /= 255
import numpy as np
img_array = np.expand_dims(img, axis=0)
print(img_array.shape)
model.predict(img_array)

由于是二元分类，0和1分别表示猫狗，输出概率接近表示是狗，接近0表示是猫狗。但具体为啥0表示猫1表示狗而不是反过来表示，还待研究。

经验总结

1 在使用next()加载图像时，要确保路径正确，否则会报StopIteration错误，原因是路径错误，找不到可迭代的数据。