第37周：咖啡豆识别 (Tensorflow实战第七周)

# 导入数据库
import os
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"]="0"
# os.environ["TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL"]='1' # 这是默认的显示等级，忽略所有信息
# os.environ["TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL"]='2' # 忽略 warning 和 Error
os.environ["TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL"]='3' # 忽略 Error
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")
print(gpus)

from tensorflow.keras import layers,models
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import os, PIL, pathlib

输出：[PhysicalDevice(name='/physical_device:GPU:0', device_type='GPU')]

⚠️⚠️⚠️前期我没有使用GPU就采用的CPU训练速度很慢，虽然安装了tensorflow-gpu但还是用的CPU因为我的cudnn和cudatoolkit之前没配置成功，然后我补充安装。这里出线会打印很多关于gpu调用的日志信息，会很影响我们对训练过程和打印信息的关注度，这里我在import tensorflow之前先通过下面的设置来控制打印的内容

import os

os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"]="0"

os.environ["TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL"]='3'

TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL 取值 0 ： 0也是默认值，输出所有信息

TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL 取值 1 ：屏蔽通知信息

TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL 取值 2 ：屏蔽通知信息和警告信息

TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL 取值 3 ：屏蔽通知信息、警告信息和报错信息

参考自：https://blog.csdn.net/xiaoqiaoliushuiCC/article/details/124435241

1.2 导入数据

代码如下：

python 复制代码

# 1.2 导入数据
data_dir = "./data/"
data_dir = pathlib.Path(data_dir)
image_count = len(list(data_dir.glob('*/*.png')))
print("图片总数为：", image_count)

输出

图片总数为： 1200

二、数据预处理

2.1 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，tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory()：是 TensorFlow 的 Keras 模块中的一个函数，用于从目录中创建一个图像数据集（dataset）。这个函数可以以更方便的方式加载图像数据，用于训练和评估神经网络模型

测试集与验证集的关系：

验证集并没有参与训练过程梯度下降过程的，狭义上来讲是没有参与模型的参数训练更新的。
但是广义上来讲，验证集存在的意义确实参与了一个"人工调参"的过程，我们根据每一个epoch训练之后模型在valid data上的表现来决定是否需要训练进行early stop，或者根据这个过程模型的性能变化来调整模型的超参数，如学习率，batch_size等等。因此，我们也可以认为，验证集也参与了训练，但是并没有使得模型去overfit验证集
因此，我们也可以认为，验证集也参与了训练，但是并没有使得模型去overfit验证集

代码如下：

python 复制代码

# 二、数据预处理
# 2.1 加载数据
batch_size = 32
img_height = 224
img_width = 224
train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="training",
    seed=123,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)
val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=123,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)
class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

输出如下：

2.2 可视化数据

代码如下：

python 复制代码

# 2.2 可视化数据
plt.figure(figsize=(10, 4))  # 图形的宽为10高为5
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")

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

输出：

情况说明：

Image_batch是形状的张量（32,2224,224,3）。这是一批形状224x224x3的32张图片（最后一维指的是彩色通道RGB）。
Label_batch是形状（32，）的张量，这些标签对应32张图片

2.3 配置数据集

代码如下：

python 复制代码

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

输出：

三、构建VGG-16网络

3.1 VGG-16网络介绍

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

网络结构图如下（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）

3.2 搭建VGG-16模型

官方和自建模型之间进行二选一即可

3.2.1 直接调用官方

代码如下：

python 复制代码

model = tf.keras.applications.VGG16(weights='imagenet')
model.summary()

3.2.2 自建模型

代码如下：

python 复制代码

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(len(class_names), (img_width, img_height, 3))
model.summary()

模型结构打印如下：

Model: "model"

Layer (type) Output Shape Param #

=================================================================

input_1 (InputLayer) [(None, 224, 224, 3)] 0

block1_conv1 (Conv2D) (None, 224, 224, 64) 1792

block1_conv2 (Conv2D) (None, 224, 224, 64) 36928

block1_pool (MaxPooling2D) (None, 112, 112, 64) 0

block2_conv1 (Conv2D) (None, 112, 112, 128) 73856

block2_conv2 (Conv2D) (None, 112, 112, 128) 147584

block2_pool (MaxPooling2D) (None, 56, 56, 128) 0

block3_conv1 (Conv2D) (None, 56, 56, 256) 295168

block3_conv2 (Conv2D) (None, 56, 56, 256) 590080

block3_conv3 (Conv2D) (None, 56, 56, 256) 590080

block3_pool (MaxPooling2D) (None, 28, 28, 256) 0

block4_conv1 (Conv2D) (None, 28, 28, 512) 1180160

block4_conv2 (Conv2D) (None, 28, 28, 512) 2359808

block4_conv3 (Conv2D) (None, 28, 28, 512) 2359808

block4_pool (MaxPooling2D) (None, 14, 14, 512) 0

block5_conv1 (Conv2D) (None, 14, 14, 512) 2359808

block5_conv2 (Conv2D) (None, 14, 14, 512) 2359808

block5_conv3 (Conv2D) (None, 14, 14, 512) 2359808

block5_pool (MaxPooling2D) (None, 7, 7, 512) 0

flatten (Flatten) (None, 25088) 0

fc1 (Dense) (None, 4096) 102764544

fc2 (Dense) (None, 4096) 16781312

predictions (Dense) (None, 4) 16388

=================================================================

Total params: 134,276,932

Trainable params: 134,276,932

Non-trainable params: 0

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。
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

4.1 设置动态学习率

ExponentialDecay函数**：** tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay是 TensorFlow 中的一个学习率衰减策略，用于在训练神经网络时动态地降低学习率。学习率衰减是一种常用的技巧，可以帮助优化算法更有效地收敛到全局最小值，从而提高模型的性能

🔍主要参数：

**decay_steps（衰减步数）：**学习率衰减的步数。在经过 decay_steps 步后，学习率将按照指数函数衰减。例如，如果 decay_steps 设置为 10，则每10步衰减一次。

**decay_rate（衰减率）：**学习率的衰减率。它决定了学习率如何衰减。通常，取值在 0 到 1 之间。

**staircase（阶梯式衰减）：**一个布尔值，控制学习率的衰减方式。如果设置为 True，则学习率在每个 decay_steps 步之后直接减小，形成阶梯状下降。如果设置为 False，则学习率将连续衰减

代码如下：

python 复制代码

# 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,      # 敲黑板！！！这里是指 steps，不是指epochs
        decay_rate=0.92,     # lr经过一次衰减就会变成 decay_rate*lr
        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=False),
              metrics=['accuracy'])

⚠️⚠️⚠️注：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)

Tips：学习率大与学习率小的优缺点分析

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

五、模型训练

代码如下：

python 复制代码

# 五、训练模型
epochs = 20
history = model.fit(
    train_ds,
    validation_data=val_ds,
    epochs=epochs
)

打印训练过程：

六、可视化结果

代码如下：

python 复制代码

# 六、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()

训练结果可视化如下：

总结

Tensorflow训练过程中打印多余信息的处理
完成了VGG-16基于Tensorflow下的搭建、训练等工作，对比分析了pytorch和tensorflow两个框架下实现同种任务的异同；
完成VGG-16对咖啡豆图片的高精度识别