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keras CNN入门(二)

keras CNN入门(二)

作者: YvanYan | 来源:发表于2020-08-27 18:34 被阅读0次

    本文为吴恩达教授的Tensorflow实践系列课程的学习记录。

    完整代码:https://github.com/YvanYan/keras/tree/master/part2-cnn


    本文内容
    1.通过CNN处理猫狗二分类问题
    2.图像增强
    3.迁移学习
    4.处理多分类问题

    1.通过CNN处理猫狗二分类问题
    猫狗分类问题和前面提到的人马问题是统一类型,都是二分类问题。在猫狗数据集中,已经分好了训练集和测试集,因此可以通过ImageDataGenerator直接构建。

    train_datagen = ImageDataGenerator( rescale = 1.0/255. )
    test_datagen  = ImageDataGenerator( rescale = 1.0/255. )
    
    train_generator = train_datagen.flow_from_directory(train_dir,
                                                        batch_size=20,
                                                        class_mode='binary',
                                                        target_size=(150, 150)) 
    
    validation_generator =  test_datagen.flow_from_directory(validation_dir,
                                                             batch_size=20,
                                                             class_mode  = 'binary',
                                                             target_size = (150, 150))
    

    在训练的模型的时候,将训练集和测试集一起放入模型中,就可以得到训练的准确率和测试的准确率。这里需要注意一点,fit_generator参数中的steps_per_epoch是指每一轮中有多少个step,通常情况下:steps_per_epoch = 数据集尺寸 / batch_size 。比如猫狗问题的训练集为2000,batch_size为20,所以steps_per_epoch 为100。

    history = model.fit_generator(train_generator,
                                  validation_data=validation_generator,
                                  steps_per_epoch=100,
                                  epochs=100,
                                  validation_steps=50,
                                  verbose=1)
    

    训练结果:


    result.png

    2.图像增强
    通过上面的准确率结果可以看出,模型出现了过拟合的问题,即在训练集上表现出色,但在测试集的效果只有75%左右。这说明测试集中有一些图像,模型没有遇到过,因此需要一些手段来扩大训练集,从而使模型学习到更多的特征。
    通过keras来进行一些图像增强的操作。

    train_datagen = ImageDataGenerator(
          rescale = 1.0/255.,
          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')
    
    • rotation_range:使图像随机旋转,输入范围为(0,180)。
    • width_shift_range:随机水平平移图片。数值小于1时,为比例平移。大于1且为整数时,按像素平移。
    • height_shift_range:随机垂直平移图片。同上。
    • shear_range:随机修剪图片。
    • zoom_range:图片随机变焦。
    • horizontal_flip:图像随机水平旋转。
    • fill_mode:使用新像素填充图片,nearest使用最近的像素填充。

    3.迁移学习
    通过加载已经训练好的模型参数,来避免花费大量的时间训练。本次实践使用的是InceptionV3网络模型。
    首先从keras库中导入InceptionV3,并实例化。

    from tensorflow.keras.applications.inception_v3 import InceptionV3
    pre_trained_model = InceptionV3(input_shape = (150, 150, 3), 
                                    include_top = False, 
                                    weights = None)
    

    将InceptionV3网络的参数下载到本地,并加载到实例化了的网络模型中。

    local_weights_file = '/tmp/inception_v3_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5'
    pre_trained_model.load_weights(local_weights_file)
    

    已经训练好的模型,我们要将其“冻结”,冻结的意思是这些层将不再被训练,其参数将不会被改变。

    for layer in pre_trained_model.layers:
      layer.trainable = False
    

    得到InceptionV3模型后,只需要在该网络后面加上满足我们项目需求的一些层即可。

    x = layers.Flatten()(last_output)
    x = layers.Dense(1024, activation='relu')(x)
    x = layers.Dropout(0.2)(x)  
    x = layers.Dense  (1, activation='sigmoid')(x)   
    

    通过上一个章节的图像增强,我们可以提高准确率,因为训练集被扩大了,神经网络学习到了更多不同的图片。但图像增强依然不可避免过拟合的问题。为了解决过拟合问题,可以添加Dropout层,在隐藏层中,随机使一些神经元失活,参数为失活神经元的比例。

    使用迁移学习可以很好的提高准确率,提升效率。因为网络模型是经过大量的不同类型图片训练好的,训练集比我们项目中的测试集要丰富的多,所以如果有合适的迁移学习模型,那么我们不必再重复“造轮子”了。

    4.处理多分类问题
    多分类问题和二分类问题本质上是一样的,但是在代码实现中,需要修改一些参数。

    • 首先在构建神经网络的时候,最后的输出层,需要将激活函数改成softmax,以及神经元数据需要根据实际分类设定。
    tf.keras.layers.Dense(3, activation='softmax')
    
    • 然后在生成数据生成器时,也需要将class_mode改为多分类模型。
    train_generator = training_datagen.flow_from_directory(
        TRAINING_DIR,
        target_size=(150,150),
        class_mode='categorical'
    )
    
    • 最后在网络模型编译时,损失函数也需要改变。
    model.compile(loss = 'categorical_crossentropy', optimizer='rmsprop', metrics=['accuracy'])
    
    

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