用 TensorFlow.js Node 实现猫图像识别（教学版逐步分解）

本教程将一步步带你在 Node.js 环境下，使用 TensorFlow.js（tfjs-node） 搭建并训练一个简单的卷积神经网络，实现 猫 vs 非猫 图像识别。我们会采用"代码分块 + 详细讲解"的形式，保证即使是入门者也能看懂。

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1. 环境准备

代码：

// Step 1: 加载依赖
const tf = require('@tensorflow/tfjs-node'); // TensorFlow.js Node 版本
const fs = require('fs');                   // Node.js 文件系统模块
const path = require('path');               // Node.js 路径处理模块

讲解：

• @tensorflow/tfjs-node：提供在 Node.js 环境下运行深度学习模型的能力。
• fs：负责读取本地的图片文件。
• path：用来安全地拼接目录和文件路径，避免跨平台出错。

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2. 数据路径设置

代码：

// Step 2: 定义数据目录
const CAT_DIR = path.join(__dirname, 'data/cats');      // 猫图像所在文件夹
const NOT_CAT_DIR = path.join(__dirname, 'data/not_cats'); // 非猫图像所在文件夹

讲解： 我们需要两个文件夹：

• data/cats：存放猫的图片。
• data/not_cats：存放非猫的图片（狗、人、风景等都行）。

模型通过比较这两类图像来学习"猫"的特征。

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3. 数据加载与预处理函数

代码：

// Step 3: 加载单张图片并预处理
function loadAndPreprocessImage(filePath) {
  const buffer = fs.readFileSync(filePath);            // 读取文件为二进制
  let imageTensor = tf.node.decodeImage(buffer, 3);    // 解码为 3 通道（RGB）张量
  imageTensor = tf.image.resizeBilinear(imageTensor, [128, 128]); // 调整大小到 128x128
  imageTensor = imageTensor.div(255.0);                // 归一化到 [0,1]
  return imageTensor;
}

讲解：

1. fs.readFileSync：把图片文件加载到内存中。
2. tf.node.decodeImage：把二进制数据转成张量，支持 RGB。
3. resizeBilinear：统一图片大小（否则模型无法批量处理）。
4. div(255.0)：将像素值从 0255 转换为 01，更利于训练。

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4. 构建数据集

代码：

// Step 4: 构造数据集
function createDataset(catDir, notCatDir) {
  const catFiles = fs.readdirSync(catDir).map(f => path.join(catDir, f));
  const notCatFiles = fs.readdirSync(notCatDir).map(f => path.join(notCatDir, f));

  const images = [];
  const labels = [];

  catFiles.forEach(file => {
    images.push(loadAndPreprocessImage(file));
    labels.push(1); // 猫标记为 1
  });

  notCatFiles.forEach(file => {
    images.push(loadAndPreprocessImage(file));
    labels.push(0); // 非猫标记为 0
  });

  // 打包成张量
  return {
    xs: tf.stack(images),
    ys: tf.tensor1d(labels, 'int32')
  };
}

讲解：

• 逐个读取 cats 和 not_cats 的图片，转换成张量。
• 标签（labels）采用二分类方式：猫=1，非猫=0。
• tf.stack(images)：把单张图片张量堆叠成一个大的四维张量 [数量, 高, 宽, 通道数]。
• ys 是标签张量。

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5. 模型结构设计

代码：

// Step 5: 定义 CNN 模型
function createModel() {
  const model = tf.sequential();

  // 第一卷积层：边缘检测
  model.add(tf.layers.conv2d({
    inputShape: [128, 128, 3],
    filters: 32,
    kernelSize: 3,
    activation: 'relu'
  }));
  model.add(tf.layers.batchNormalization());
  model.add(tf.layers.maxPooling2d({ poolSize: [2, 2] }));

  // 第二卷积层：纹理检测
  model.add(tf.layers.conv2d({ filters: 64, kernelSize: 3, activation: 'relu' }));
  model.add(tf.layers.batchNormalization());
  model.add(tf.layers.maxPooling2d({ poolSize: [2, 2] }));

  // 第三卷积层：高层结构检测
  model.add(tf.layers.conv2d({ filters: 128, kernelSize: 3, activation: 'relu' }));
  model.add(tf.layers.batchNormalization());
  model.add(tf.layers.maxPooling2d({ poolSize: [2, 2] }));

  // 展平 + 全连接层
  model.add(tf.layers.flatten());
  model.add(tf.layers.dense({ units: 128, activation: 'relu' }));
  model.add(tf.layers.dropout({ rate: 0.5 }));
  model.add(tf.layers.dense({ units: 1, activation: 'sigmoid' }));

  return model;
}

讲解：

• Conv2D：用卷积核提取特征。
• BatchNormalization：让数值分布更稳定，防止梯度爆炸/消失。
• MaxPooling2D：缩小图片尺寸，提取主要特征，减少计算量。
• Flatten：把卷积结果拉平为向量。
• Dense：经典全连接层，结合特征进行分类。
• Dropout：随机丢弃部分神经元，防止过拟合。
• Sigmoid 输出：二分类概率（0~1，数值越大越可能是猫）。

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6. 模型编译与训练

代码：

// Step 6: 编译与训练
async function trainModel(model, data) {
  model.compile({
    optimizer: tf.train.adam(),
    loss: 'binaryCrossentropy',
    metrics: ['accuracy']
  });

  const history = await model.fit(data.xs, data.ys, {
    epochs: 10,
    batchSize: 16,
    validationSplit: 0.2,
    callbacks: tf.callbacks.earlyStopping({ monitor: 'val_loss', patience: 3 })
  });

  console.log('训练完成!');
  console.log('历史记录:', history.history);
}

讲解：

• Adam 优化器：常用的自适应学习率优化算法。
• Binary CrossEntropy：二分类专用的损失函数。
• metrics：计算准确率。
• validationSplit=0.2：20% 数据用于验证。
• EarlyStopping：验证集 3 次没有改进就停止训练，避免浪费时间。

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7. 主流程

代码：

// Step 7: 主入口
(async () => {
  const data = createDataset(CAT_DIR, NOT_CAT_DIR); // 构建数据集
  const model = createModel();                      // 定义模型
  await trainModel(model, data);                    // 训练模型
  await model.save('file://./saved-model');         // 保存模型

  // 用一张猫图测试预测
  const testImage = loadAndPreprocessImage(path.join(CAT_DIR, fs.readdirSync(CAT_DIR)[0]));
  const prediction = model.predict(testImage.expandDims(0));
  prediction.print();
})();

讲解：

1. 加载数据。
2. 创建模型。
3. 开始训练并输出训练日志。
4. 保存模型到 saved-model 文件夹。
5. 随机取一张猫图进行预测，打印预测概率。

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总结

本文通过完整的代码分块与逐步讲解，带你从零实现了 猫 vs 非猫 分类器：

• 数据准备 → 预处理 → 数据集构建
• 模型设计（3 层卷积 + 全连接）
• 模型训练与保存
• 单张图片预测

这就是一个完整的深度学习入门案例，理解了它，就能进一步扩展到更多分类任务。

⚠️ 提示：本文内容部分由人工智能（GPT）生成，仅供学习、教学与技术参考使用。内容讲解与代码示例经过整理以便理解，但请读者在实际项目中进行验证和测试。