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【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率

时间:2022-11-16 14:01:31浏览次数:83  
标签:83.6% None 训练 识别率 train tensorflow2.6 tf path os


目标:识别猫和狗

一、猫狗数据集

数据集下载:

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):

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_数据


测试集(图片没有标签):

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_分类_02

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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_2d_03


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

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_python_04

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

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_数据_05


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

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_2d_06


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)))

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_2d_07


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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_2d_08


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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_数据_09


【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_分类_10


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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_数据_11


Flatten语法:

tf.keras.layers.Flatten(
data_format=None, **kwargs
)

参数说明:一般默认即可

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_分类_12


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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_tensorflow_13

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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_python_14

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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_分类_15


打印准确度变化:

plot_metric(history,"accuracy")

如图:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_2d_16

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:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_tensorflow_17

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。

欢迎关注我的个人公众号:

【tensorflow2.6】图片数据建模流程:猫狗分类,83.6%识别率_分类_18


标签:83.6%,None,训练,识别率,train,tensorflow2.6,tf,path,os
From: https://blog.51cto.com/u_15677788/5856122

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