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目录

一、前言

二、前期准备

1、设置GPU

2、导入数据

3、查看数据图片

三、数据预处理

1、加载数据

2、可视化数据

3、配置数据集

四、构建VGG-16网络

1、VGG优缺点分析

2、自建模型

3、网络结构图

五、编译

[六、 训练模型](#六、 训练模型)

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一、前言

• 🍨 本文为 🔗365天深度学习训练营中的学习记录博客
• 🍖 原作者： K同学啊

二、前期准备

1、设置GPU

import tensorflow as tf
 
gpus=tf.config.list_physical_devices("GPU")
 
if gpus:
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0],True)
    tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")
gpus

2、导入数据

import pathlib
 
data_dir="D:\THE MNIST DATABASE\T7"
data_dir=pathlib.Path(data_dir)

3、查看数据图片

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

运行结果：

三、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。

train_ds=tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="training",
    seed=123,
    image_size=(224,224),
    batch_size=32
)

运行结果如下：

加载验证集：

val_ds=tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=123,
    image_size=(224,224),
    batch_size=32
)

运行结果如下：

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)

运行结果如下：

2、可视化数据

import matplotlib.pyplot as plt
 
plt.figure(figsize=(10,4))
 
for images,labels in train_ds.take(1):
    for i in range(10):
        ax=plt.subplot(2,5,i+1)
        
        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        plt.title(class_names[labels[i]])
        
        plt.axis("off")

运行结果如下：

查看图像格式：

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

运行结果如下：

3、配置数据集

• shuffle() ：打乱数据；
• prefetch() ：预取数据，加速运行；
• cache() ：将数据集缓存到内存当中，加速运行；

对数据集进行预处理，对于验证集只进行了缓存和预取操作，没有进行打乱操作。

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

对图像数据集进行归一化。 将输入数据除以255，将像素值缩放到0到1之间。然后，使用map函数将这个归一化层应用到训练数据集train_ds和验证数据集val_ds的每个样本上。这样，所有的图像都会被归一化，以便在神经网络中更好地处理。

from tensorflow.keras import layers
 
normalization_layer=layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./255)
 
train_ds=train_ds.map(lambda x,y:(normalization_layer(x),y))
val_ds=val_ds.map(lambda x,y:(normalization_layer(x),y))

从验证数据集中获取一个批次的图像和标签，然后将第一个图像存储在变量first_image中。接下来，使用numpy库的min和max函数分别计算first_image中的最小值和最大值，并将它们打印出来。这样可以帮助我们了解图像数据的归一化情况，例如是否所有像素值都在0到1之间。

import numpy as np
 
image_batch,labels_batch=next(iter(val_ds))
first_image=image_batch[0]
 
#查看归一化后的数据
print(np.min(first_image),np.max(first_image))

运行结果如下：

四、构建VGG-16网络

1、VGG优缺点分析

（1）优点：结构简洁，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）；

（2）缺点

• 训练时间过长，调参难度大；
• 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；

2、自建模型

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')(input_tensor)
    x=Conv2D(64,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=MaxPooling2D((2,2),strides=(2,2))(x)
    #2nd block
    x=Conv2D(128,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(128,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=MaxPooling2D((2,2),strides=(2,2))(x)
    #3rd block
    x=Conv2D(256,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(256,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(256,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=MaxPooling2D((2,2),strides=(2,2))(x)
    #4th block
    x=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=MaxPooling2D((2,2),strides=(2,2))(x)
    #5th block
    x=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(x)
    x=MaxPooling2D((2,2),strides=(2,2))(x)
    #full connection
    x=Flatten()(x)
    x=Dense(4096,activation='relu')(x)
    x=Dense(4096,activation='relu')(x)
    output_tensor=Dense(nb_classes,activation='softmax',name='predictions')(x)
    
    model=Model(input_tensor,output_tensor)
    return model
 
model=vgg16(len(class_names),(224,224,3))
model.summary()

运行结果如下：

3、网络结构图

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；

五、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；
• 指标（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；

#设置初始学习率
initial_learning_rate=1e-4
 
lr_schedule=tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
    initial_learning_rate,
    decay_steps=30,
    decay_rate=0.92,
    staircase=True
)
 
#设置优化器
opt=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=initial_learning_rate)
 
model.compile(optimizer=opt,
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

六、 训练模型

epochs=20
 
history=model.fit(
    train_ds,
    validation_data=val_ds,
    epochs=epochs
)

运行结果如图：

七、可视化结果

acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']
 
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
 
epochs_range = range(epochs)
 
plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(epochs_range, acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
 
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

运行结果如图：

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