一文详解CNN解决Flowers图像分类任务

2023-03-10 14:03:33 图像详解一文

前言

本文主要任务是使用通过 tf.keras.Sequential 搭建的模型进行各种花朵图像的分类，主要涉及到的内容有三个部分：

使用 tf.keras.Sequential 搭建模型。
使用 tf.keras.utils.image_dataset_from_directory 从磁盘中高效加载数据。
使用了一定的防止过拟合的方法，如丰富训练样本的数量、在数据处理过程中加入了数据增强、全连接层加入了 Dropout 等。

本文所用的环境为 tensorlfow-cpu= 2.4 ，python 版本为 3.8 。

主要章节介绍如下：

加载并展示数据
构件处理图像的 pipeline
搭建深度学习分类模型
训练模型并观察结果
加入了抑制过拟合措施并重新进行模型的训练和测试

加载并展示数据

（1）该数据需要从网上下载，需要耐心等待片刻，下载下来自动会存放在“你的主目录.keras\datasets\flower_photos”。

（2）数据中总共有 5 种类，分别是 daisy、 dandelion、roses、sunflowers、tulips，总共包含了 3670 张图片。

(3) 随机展示了一张花朵的图片。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import PIL
import Tensorflow as tf
import pathlib
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
from tensorflow.keras.models import Sequential
import random
dataset_url = "https://storage.Googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz"
data_dir = tf.keras.utils.get_file('flower_photos', origin=dataset_url, untar=True)
data_dir = pathlib.Path(data_dir)
image_count = len(list(data_dir.glob('*/*.jpg')))
print("总共包含%d张图片，下面随便展示一张玫瑰的图片样例："%image_count)
roses = list(data_dir.glob('roses/*'))
PIL.Image.open(str(random.choice(roses)))

结果打印：

总共包含3670张图片，下面随便展示一张玫瑰的图片样例：

构件处理图像的 pipeline

（1）使用 tf.keras.utils.image_dataset_from_directory 可以将我们的花朵图片数据，从磁盘加载到内存中，并形成 tensorflow 高效的 tf.data.Dataset 类型。

（2）我们将数据集 shuffle 之后，进行二八比例的随机抽取分配，80% 的数据作为我们的训练集，共 2936 张图片， 20% 的数据集作为我们的测试集，共 734 张图片。

（3）我们使用 Dataset.cache 和 Dataset.prefetch 来提升数据的处理速度，使用 cache 在将数据从磁盘加载到 cache 之后，就可以将数据一直放 cache 中便于我们的后续访问，这可以保证在训练过程中数据的处理不会成为计算的瓶颈。另外使用 prefetch 可以在 GPU 训练模型的时候，CPU 将之后需要的数据提前进行处理放入 cache 中，也是为了提高数据的处理性能，加快整个训练过程，不至于训练模型时浪费时间等待数据。

（4）我们随便选取了 6 张图像进行展示，可以看到它们的图片以及对应的标签。

batch_size = 32
img_height = 180
img_width = 180
train_ds = tf.keras.utils.image_dataset_from_directory( data_dir, validation_split=0.2, subset="training", seed=1, image_size=(img_height, img_width), batch_size=batch_size)
val_ds = tf.keras.utils.image_dataset_from_directory( data_dir,  validation_split=0.2, subset="validation", seed=1, image_size=(img_height, img_width),batch_size=batch_size)
class_names = train_ds.class_names
num_classes = len(class_names)
AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE
train_ds = train_ds.cache().shuffle(1000).prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
plt.figure(figsize=(5, 5))
for images, labels in train_ds.take(1):
    for i in range(6):
        ax = plt.subplot(2, 3, i + 1)
        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        plt.title(class_names[labels[i]])
        plt.axis("off")

结果打印：

Found 3670 files belonging to 5 classes.
Using 2936 files for training.
Found 3670 files belonging to 5 classes.
Using 734 files for validation.

搭建深度学习分类模型

（1）因为最初的图片都是 RGB 三通道图片，像素点的值在 [0,255] 之间，为了加速模型的收敛，我们要将所有的数据进行归一化操作。所以在模型的第一层加入了 layers.Rescaling 对图片进行处理。

（2）使用了三个卷积块，每个卷积块中包含了卷积层和池化层，并且每一个卷积层中都添加了 relu 激活函数，卷积层不断提取图片的特征，池化层可以有效的所见特征矩阵的尺寸，同时也可以减少最后连接层的中的参数数量，权重参数少的同时也起到了加快计算速度和防止过拟合的作用。

（3）最后加入了两层全连接层，输出对图片的分类预测 logit 。

（4）使用 Adam 作为我们的模型优化器，使用 SparseCategoricalCrossentropy 计算我们的损失值，在训练过程中观察 accuracy 指标。

model = Sequential([
  layers.Rescaling(1./255, input_shape=(img_height, img_width, 3)),
  layers.Conv2D(16, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Conv2D(32, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Conv2D(64, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Flatten(),
  layers.Dense(128, activation='relu'),
  layers.Dense(num_classes)
])
model.compile(optimizer='adam', loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True), metrics=['accuracy'])

训练模型并观察结果

（1）我们使用训练集进行模型的训练，使用验证集进行模型的验证，总共训练 5 个 epoch 。

（2）我们通过对训练过程中产生的准确率和损失值，与验证过程中产生的准确率和损失值进行绘图对比，训练时的准确率高出验证时的准确率很多，训练时的损失值远远低于验证时的损失值，这说明模型存在过拟合风险。正常的情况这两个指标应该是大体呈现同一个发展趋势。

epochs = 5
history = model.fit(train_ds, validation_data=val_ds, epochs=epochs)
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=(8, 8))
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()

结果打印：

Epoch 1/5
92/92 [==============================] - 45s 494ms/step - loss: 0.2932 - accuracy: 0.8992 - val_loss: 1.2603 - val_accuracy: 0.6417
Epoch 2/5
92/92 [==============================] - 40s 436ms/step - loss: 0.1814 - accuracy: 0.9414 - val_loss: 1.5241 - val_accuracy: 0.6267
Epoch 3/5
92/92 [==============================] - 36s 394ms/step - loss: 0.0949 - accuracy: 0.9745 - val_loss: 1.6629 - val_accuracy: 0.6499
Epoch 4/5
92/92 [==============================] - 48s 518ms/step - loss: 0.0554 - accuracy: 0.9860 - val_loss: 1.7566 - val_accuracy: 0.6621
Epoch 5/5
92/92 [==============================] - 39s 419ms/step - loss: 0.0341 - accuracy: 0.9918 - val_loss: 2.1150 - val_accuracy: 0.6335

加入了抑制过拟合措施并重新进行模型的训练和测试

（1）当训练样本数量较少时，通常会发生过拟合现象。我们可以操作数据增强技术，通过随机翻转、旋转等方式来增加样本的丰富程度。常见的数据增强处理方式有：tf.keras.layers.RandomFlip、tf.keras.layers.RandomRotation和 tf.keras.layers.RandomZoom。这些方法可以像其他层一样包含在模型中，并在 GPU 上运行。

（2）这里挑选了一张图片，对其进行 6 次执行数据增强，可以看到得到了经过一定程度缩放、旋转、反转的数据集。

data_augmentation = keras.Sequential([
    layers.RandomFlip("horizontal", input_shape=(img_height, img_width, 3)),
    layers.RandomRotation(0.1),
    layers.RandomZoom(0.5)
])
plt.figure(figsize=(5, 5))
for images, _ in train_ds.take(1):
    for i in range(6):
        augmented_images = data_augmentation(images)
        ax = plt.subplot(2, 3, i + 1)
        plt.imshow(augmented_images[0].numpy().astype("uint8"))
        plt.axis("off")

（3）在模型架构的开始加入数据增强层，同时在全连接层的地方加入 Dropout ，进行神经元的随机失活，这两个方法的加入可以有效抑制模型过拟合的风险。其他的模型结构、优化器、损失函数、观测值和之前相同。通过绘制数据图我们发现，使用这些措施很明显减少了过拟合的风险。

model = Sequential([
  data_augmentation,
  layers.Rescaling(1./255),
  layers.Conv2D(16, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Conv2D(32, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Conv2D(64, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Dropout(0.2),
  layers.Flatten(),
  layers.Dense(128, activation='relu'),
  layers.Dense(num_classes, name="outputs")
])
model.compile(optimizer='adam', loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True), metrics=['accuracy'])
epochs = 15
history = model.fit( train_ds, validation_data=val_ds, epochs=epochs)
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=(8, 8))
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()

结果打印：

92/92 [==============================] - 57s 584ms/step - loss: 1.3080 - accuracy: 0.4373 - val_loss: 1.0929 - val_accuracy: 0.5749
Epoch 2/15
92/92 [==============================] - 41s 445ms/step - loss: 1.0763 - accuracy: 0.5596 - val_loss: 1.3068 - val_accuracy: 0.5204
...
Epoch 14/15
92/92 [==============================] - 59s 643ms/step - loss: 0.6306 - accuracy: 0.7585 - val_loss: 0.7963 - val_accuracy: 0.7044
Epoch 15/15
92/92 [==============================] - 42s 452ms/step - loss: 0.6155 - accuracy: 0.7691 - val_loss: 0.8513 - val_accuracy: 0.6975

（4）最后我们使用一张随机下载的图片，用模型进行类别的预测，发现可以识别出来。

sunflower_url = "Https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/592px-Red_sunflower.jpg"
sunflower_path = tf.keras.utils.get_file('Red_sunflower', origin=sunflower_url)
img = tf.keras.utils.load_img(  sunflower_path, target_size=(img_height, img_width) )
img_array = tf.keras.utils.img_to_array(img)
img_array = tf.expand_dims(img_array, 0) 
predictions = model.predict(img_array)
score = tf.nn.softmax(predictions[0])
print(  "这张图片最有可能属于 {} ，有 {:.2f} 的置信度。".fORMat(class_names[np.argmax(score)], 100 * np.max(score)))

结果打印：

这张图片最有可能属于 sunflowers ，有 97.39 的置信度。

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