目标：识别猫和狗
一、猫狗数据集
数据集下载：
到底部关注公众号，回复：猫狗数据集
训练数据集（每一张图片都有dog和cat标签）：
测试集（图片没有标签）：
二、训练环境
- kaggle
- tenslrflow2.6
三、数据处理
import numpy as np # linear algebra
import pandas as pd # data processing, CSV file I/O (e.g. pd.read_csv)
# Input data files are available in the read-only "../input/" directory
# For example, running this (by clicking run or pressing Shift+Enter) will list all files under the input directory
import os
for dirname, _, filenames in os.walk('/kaggle/input'):
for filename in filenames:
print(os.path.join(dirname, filename))
如下：
导入相关模块：
import os
import zipfile # 解压zip
import pandas as pd
from tqdm import tqdm # 进度条显示
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.image as mpimg
from tensorflow.keras.optimizers import RMSprop
创建一个主文件夹：
work_path = './cats_and_dogs_filtered'
if not os.path.exists(work_path):
os.mkdir(work_path)
把训练集和测试集的图片解压到主文件夹下面：
local_zip = '../input/dogs-vs-cats/test1.zip'
zip_ref = zipfile.ZipFile(local_zip,'r')
zip_ref.extractall(work_path)
local_zip = '../input/dogs-vs-cats/train.zip'
zip_ref = zipfile.ZipFile(local_zip,'r')
zip_ref.extractall(work_path)
zip_ref.close()
把训练集的数据读出来：
train_path = os.path.join(work_path, 'train') # 拼接训练集文件名
test_path = os.path.join(work_path, 'test1') # 拼接测试集文件名
train_df = pd.DataFrame({
'image_name':os.listdir(train_path)}) # 读取图片名。os.listdir是列出文件下所有。
train_df['label'] =train_df['image_name'].apply(lambda x: x.split('.')[0]) # 分割添加标签列
train_df
同理把测试集的数据读取出来：
test_df = pd.DataFrame({
'image_name':os.listdir(test_path)})
test_df['label'] =test_df['image_name'].apply(lambda x: x.split('.')[0])
test_df
把所有狗的图片单独放在一个文件夹：
dog_path_train = os.path.join(train_path, 'dog') # 拼接dog路径
os.mkdir(dog_path_train) # 创建文件夹
dog_df_train = train_df[train_df.label=='dog'] # 选出标签为狗的图片
for n in tqdm(dog_df_train.image_name):
os.rename((os.path.join(train_path, n)), (os.path.join(dog_path_train, n))) # 重命名
同理把猫的数据放在一个文件夹：
cat_path_train = os.path.join(train_path, 'cat')
os.mkdir(cat_path_train)
cat_df_train = train_df[train_df.label=='cat']
for n in tqdm(cat_df_train.image_name):
os.rename((os.path.join(train_path, n)), (os.path.join(cat_path_train, n)))
现在简单的检测一下目录的基本结构，当然这不是必须的部分：
base_dir = './cats_and_dogs_filtered'
print(' 基本主目录')
print(os.listdir(base_dir))
print('\n 训练目录')
train_path = f'{base_dir}/train'
print(os.listdir(train_path))
print('\n 测试目录')
print(os.listdir(test_path)[:5])
如图：
再继续检查目录：
train_dir = os.path.join(base_dir,'train') # 拼接训练路径
validation_dir = os.path.join(base_dir,'test1') # 拼接测试集路径
train_cats_dir = os.path.join(train_dir,'cat') # 在训练集下拼接猫路径
train_dogs_dir = os.path.join(train_dir,'dog') # 狗路径
train_cats_names = os.listdir(train_cats_dir) # 列出所有猫的文件名
train_dogs_names = os.listdir(train_dogs_dir) # 列出所有狗的文件名
print(train_cats_names[:5])# 查看前五个
print(train_dogs_names[:5]) # 查看前五个
输出：
['cat.5965.jpg', 'cat.10318.jpg', 'cat.11796.jpg', 'cat.10908.jpg', 'cat.7301.jpg']
['dog.3554.jpg', 'dog.5088.jpg', 'dog.7240.jpg', 'dog.2206.jpg', 'dog.7740.jpg']
查看训练集测试集等数量：
print(f'训练集猫数量 = {len(train_cats_names)}')
print(f'训练集狗数量 = {len(train_dogs_names)}')
print(f'测试集猫和狗数量= {len(os.listdir(validation_dir))}')
输出：
训练集猫数量 = 12500
训练集狗数量 = 12500
测试集猫和狗数量= 12500
四、建立模型
首先普及一点基本，卷积层语法如下：
tf.keras.layers.Conv2D(
filters,
kernel_size,
strides=(1, 1),
padding='valid',
data_format=None,
dilation_rate=(1, 1),
groups=1,
activation=None,
use_bias=True,
kernel_initializer='glorot_uniform',
bias_initializer='zeros',
kernel_regularizer=None,
bias_regularizer=None,
activity_regularizer=None,
kernel_constraint=None,
bias_constraint=None,
**kwargs
)
相关参数如下：
池化层语法如下：
tf.keras.layers.MaxPool2D(
pool_size=(2, 2),
strides=None,
padding='valid',
data_format=None,
**kwargs
)
参数说明：
Flatten语法：
tf.keras.layers.Flatten(
data_format=None, **kwargs
)
参数说明：一般默认即可
连接层语法如下：
tf.keras.layers.Dense(
units,
activation=None,
use_bias=True,
kernel_initializer='glorot_uniform',
bias_initializer='zeros',
kernel_regularizer=None,
bias_regularizer=None,
activity_regularizer=None,
kernel_constraint=None,
bias_constraint=None,
**kwargs
)
编译（配置模型进行训练）语法：
compile(
optimizer='rmsprop', # 字符串(优化器的名称)或优化器实例
loss=None, # 损失函数，如果模型有多个输出，您可以通过传递字典或损失列表来对每个输出
# 使用不同的损失，由模型最小化的损失值将是所有独立损失的总和。
metrics=None, # 在训练和测试期间，模型要评估的度量标准列表，通常将使用metrics=['accuracy']。
# 要为一个多输出模型的不同输出指定不同的度量，可以传递一个字典，例如metrics={'output_a': 'accuracy'， 'output_b': ['accuracy'， 'mse']}。
# 还可以传递矩阵列表(len = len(输出))，比如metrics=[[accuracy']， ['accuracy'， 'mse']，或者metrics=['accuracy'， ['accuracy'， 'mse']]。
loss_weights=None, # 指定标量系数(Python浮点数)的可选列表或字典，以对不同模型输出的损失贡献进行加权。
sample_weight_mode=None, # 如果需要按时间步长进行样本加权(2D加权)，请将其设置为“时间”。没有默认的采样权值(1D)。
weighted_metrics=None, # 在训练和测试期间，将通过sample_weight或class_weight评估和加权的度量列表。
target_tensors=None, # 默认情况下，Keras将为模型的目标创建占位符，这些占位符将在训练期间与目标数据一起提供。
# 相反，如果您想使用自己的目标张量(反过来，Keras在训练时不会期望这些目标的外部Numpy数据)，可以通过target_tensors参数指定它们。
distribute=None, # 在TF 2.0中不支持
**kwargs # 任何额外的参数
)
参数说明：
编写代码模型函数如下：
def create_model():
# 使用models.Sequential()来搭建神经网络
# Sequential()方法是一个容器，在容器中添加对应参数
#在Sequential()的输入参数中描述从输入层到输出层的网络结构
model = tf.keras.models.Sequential([
# 本案例中Conv2D卷积层，第一个参数：filter 卷积核个数， 第二个参数strides 卷积步长,此三个参数activation:激活函数
# 第四个参数input_shape表示150*150图片
tf.keras.layers.Conv2D(16,(3,3), activation = 'relu', input_shape=(150,150,3)),
# 在 2x2 池化窗口中取最大值
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),
tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3), activation = 'relu'),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),
tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3), activation = 'relu'),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),
tf.keras.layers.Flatten(),
# 输出空间的维度512.激活函数relu
tf.keras.layers.Dense(512, activation = 'relu'),
# 激活函数sigmogid
tf.keras.layers.Dense(1, activation='sigmoid')
])
# learning_rate学习率为0.01，loss损失函数为二元交叉熵损失
# metrics评估列表，这里只采用了accuracy准确度
model.compile(optimizer=RMSprop(learning_rate=0.001),
loss='binary_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
return model
执行模型：
model = create_model()
model.summary() # 打印模型摘要
如图：
五、图像处理
from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255,
rotation_range=40,
width_shift_range=0.2,
height_shift_range=0.2,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True,
fill_mode='nearest',
validation_split=0.2
)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
train_dir,
target_size=(150,150),
batch_size=50,
class_mode='binary',
subset='training'
)
validation_generator = train_datagen.flow_from_directory(
train_dir, # 与训练集类似
target_size=(150, 150),
batch_size=50,
class_mode='binary',
subset='validation')
构建回调：
#构建新回调的抽象基类
class mycallback(tf.keras.callbacks.Callback):
def on_epoch_end(self,epoch,logs={
}):
if(logs.get('val_accuracy')>=0.90): # 大于90%停止
self.model.stop_training = True
callback = mycallback()
六、训练模型
参数说明：
fit(
x=None,
y=None,
batch_size=None, # 每次梯度更新的样本数
epochs=1, # 训练模型的迭代数
verbose=1,
callbacks=None,
validation_split=0.0, # 将训练数据的一部分用作验证数据
validation_data=None, # 用于评估损失的数据和每个epoch结束时的任何模型度量。模型不会根据这些数据进行训练。validation_data将覆盖validation_split。
shuffle=True, # 在每个epoch之前对训练数据进行洗牌
class_weight=None,
sample_weight=None,
initial_epoch=0, # 开始训练的时间(对于恢复之前的训练很有用)。
steps_per_epoch=None,
validation_steps=None,
validation_freq=1,
max_queue_size=10,
workers=1,
use_multiprocessing=False,
**kwargs
)
因此代码如下：
history = model.fit(
train_generator,
steps_per_epoch = train_generator.samples//50,
epochs = 30, # 迭代次数
verbose=1, # 1表示显示进度条
validation_data = validation_generator, # 在每个 epoch 结束时评估损失和任何模型指标的数据。模型不会根据这些数据进行训练
validation_steps = validation_generator.samples//50,#b验证数据
callbacks=[callback] #回调列表
)
训练两个小时候，得到如下：
七、模型评估
打印准确度：
print("最大准确度: {}%".format(round(100*max(history.history['val_accuracy']), 2)))
输出：
最大准确度: 83.86%
八、可视化
打印loss变化：
import matplotlib.pyplot as plt
def plot_metric(history, metric):
train_metrics = history.history[metric]
val_metrics = history.history['val_'+metric]
epochs = range(1, len(train_metrics) + 1)
plt.plot(epochs, train_metrics, 'bo--')
plt.plot(epochs, val_metrics, 'ro-')
plt.title('训练集和验证集 '+ metric)
plt.xlabel("Epochs")
plt.ylabel(metric)
plt.legend(["train_"+metric, 'val_'+metric])
plt.show()
plot_metric(history,"loss")
如图：
打印准确度变化：
plot_metric(history,"accuracy")
如图：
九、保存模型
model.save('./tf_model_savedmodel', save_format="tf")
print('保存的模型成功..')
输出：
保存的模型成功..
十、参考
tensorflow官方API文档：
https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf_overview
十一、感悟
这是我第一次尝试搭建神经网络，猫狗分类是一个非常经典的案例了，在这整个学习中花了很长时间，比如：模型的搭建流程，模型的参数设置。开始我在本机训练模型，发现训练很久，自己电脑受不住，因此不得不转向kaggle上训练，经过了长达两个小时多的训练，最终识别率为83.86%。虽然不是很好，但也是经过一次很大的尝试。希望在后续中继续探索图片的分类，实际上我认为其它的图片分类与猫狗分类是类似的，因此有了迁移学习的概念，当然具体我还不了解，还在学习中。
tensorflow的模型搭建流程可以总结为：
我的安排是：先学习一些经典案例，然后再深入学习这些基本的原理知识，这样学习对我来说更加高效。当然我希望您读这篇文章已经掌握机器学习大部分内容，为此我花了半个月的时间研读和实践了机器学习。
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