深度学习实战：卷积神经网络识别猫狗

公众号：尤而小屋
作者：Peter
编辑：Peter

大家好，我是Peter~

本文记录了第一个基于卷积神经网络在图像识别领域的应用：猫狗图像识别。主要内容包含：

• 数据处理
• 神经网络模型搭建
• 数据增强实现

本文中使用的深度学习框架是Keras；

图像数据来自kaggle官网：www.kaggle.com/c/dogs-vs-c…

数据处理

数据量

数据集包含25000张图片，猫和狗各有12500张；创建每个类别1000个样本的训练集、500个样本的验证集和500个样本的测试集

注意：只取出部分的数据进行建模

创建目录

In [1]:

import os, shutil

In [2]:

current_dir = !pwd  # 当前目录
current_dir[0]

Out[2]:

'/Users/peter/Desktop/kaggle/kaggle_12_dogs&cats/dogs-vs-cats'

创建新的目录来存储需要的数据集：

base_dir = current_dir[0] + '/cats_dogs_small'
os.mkdir(base_dir)  # 创建目录

# 分别创建训练集、验证集和测试集的目录

train_dir = os.path.join(base_dir,"train")
os.mkdir(train_dir)
validation_dir = os.path.join(base_dir,"validation")
os.mkdir(validation_dir)
test_dir = os.path.join(base_dir,"test")
os.mkdir(test_dir)

# 猫、狗的训练、验证、测试图像目录
train_cats_dir = os.path.join(train_dir, "cats")
os.mkdir(train_cats_dir)
train_dogs_dir = os.path.join(train_dir, "dogs")
os.mkdir(train_dogs_dir)

validation_cats_dir = os.path.join(validation_dir, "cats")
os.mkdir(validation_cats_dir)
validation_dogs_dir = os.path.join(validation_dir, "dogs")
os.mkdir(validation_dogs_dir)

test_cats_dir = os.path.join(test_dir, "cats")
os.mkdir(test_cats_dir)
test_dogs_dir = os.path.join(test_dir, "dogs")
os.mkdir(test_dogs_dir)

数据集复制

In [5]:

# 1000张当做训练集train

fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000)]
for fname in fnames:
    # 源目录文件
    src = os.path.join(current_dir[0] + "/train", fname)
    # 目标目录
    dst = os.path.join(train_cats_dir, fname)
    shutil.copyfile(src, dst)

In [6]:

# 500张当做验证集valiation

fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000,1500)]
for fname in fnames:
    src = os.path.join(current_dir[0] + "/train", fname)
    dst = os.path.join(validation_cats_dir, fname)
    shutil.copyfile(src, dst)

In [7]:

# 500张当做测试集test

fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1500,2000)]
for fname in fnames:
    src = os.path.join(current_dir[0] + "/train", fname)
    dst = os.path.join(test_cats_dir, fname)
    shutil.copyfile(src, dst)

In [8]:

# 针对dog的3个同样操作

# 1、1000张当做训练集train
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000)]
for fname in fnames:
    src = os.path.join(current_dir[0] + "/train", fname)
    dst = os.path.join(train_dogs_dir, fname)
    shutil.copyfile(src, dst)
    
# 2、500张当做验证集valiation
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000,1500)]
for fname in fnames:
    src = os.path.join(current_dir[0] + "/train", fname)
    dst = os.path.join(validation_dogs_dir, fname)
    shutil.copyfile(src, dst)
    
# 3、500张当做测试集test
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1500,2000)]
for fname in fnames:
    src = os.path.join(current_dir[0] + "/train", fname)
    dst = os.path.join(test_dogs_dir, fname)
    shutil.copyfile(src, dst)

检查数据

针对猫狗两个类别中查看每个集（训练、验证、测试）中分别包含多少张图像：

构建神经网络

复习一下卷积神经网络的构成：Conv2D层（使用relu激活函数） + MaxPooling2D层 交替堆叠构成。

当需要更大的图像和更复杂的问题，需要再添加一个 Conv2D层（使用relu激活函数） + MaxPooling2D层。

这样做的好处：

• 增大网络容量
• 减少特征图的尺寸

需要注意的是：猫狗分类是二分类问题，所以网络的最后一层是使用sigmoid激活的单一单元（大小为1的Dense层）

在网络中特征图的深度在逐渐增大（从32到128），但是特征图的尺寸在逐渐减小（从150-150到7-7）

1. 深度增加：原始图像更复杂，需要更多的过滤器
2. 尺寸减小：更多的卷积和池化层对图像在不断地压缩和抽象

网络搭建

In [15]:

import tensorflow as tf
from keras import layers 
from keras import models

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation="relu",
                               input_shape=(150,150,3)))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))  # 

model.add(tf.keras.layers.Flatten())
model.add(tf.keras.layers.Dense(512, activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.Dense(1, activation="sigmoid"))

model.summary()

模型编译（优化）

网络最后一层是单一sigmoid单元，使用二元交叉熵作为损失函数

In [16]:

# 原文：from keras import optimizers

from tensorflow.keras import optimizers

model.compile(loss="binary_crossentropy",
             optimizer=optimizers.RMSprop(lr=1e-4),
             metrics=["acc"])

数据预处理

数据输入到神经网络之前必须先转成浮点数张量。

keras有个处理图像的模块：keras.preprocessing.image。

它包含ImageDataGenerator类，可以快速创建Python生成器，将图形文件处理成张量批量

插播知识点：如何理解python中的生成器？

数据预处理

1. 读取文件
2. 将文件JPEG文件转成RGB像素网络
3. 像素网格转成浮点数张量

In [18]:

from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator

train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)  # 进行缩放
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)  # 进行缩放

train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
    train_dir,  # 待处理的目录
    target_size=(150,150),  # 图像大小设置
    batch_size=20,
    class_mode="binary"  # 损失函数是binary_crossentropy 所以使用二进制标签
)

validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(
    validation_dir,  # 待处理的目录
    target_size=(150,150),  # 图像大小设置
    batch_size=20,
    class_mode="binary"  # 损失函数是binary_crossentropy 所以使用二进制标签
)
Found 2000 images belonging to 2 classes.
Found 1000 images belonging to 2 classes.

In [19]:

for data_batch, labels_batch in train_generator:
    print(data_batch.shape)
    print(labels_batch.shape)
    break
(20, 150, 150, 3)
(20,)

生成器的输出是150-150的RGB图像和二进制标签，形状为(20,)组成的批量。每个批量包含20个样本（批量的大小）。

生成器会不断地生成这些批量，不断地循环目标文件夹中的图像。

keras模型使用fit_generator方法来拟合生成器的效果。模型有个参数steps_per_epoch参数：从生成器中抽取steps_per_epoch个批量后，拟合进入下一轮。

本例中：总共是2000个样本，每个批量是20个样本，所以需要100个批量

模型拟合

In [20]:

history = model.fit_generator(
    train_generator,  # 第一个参数必须是Python生成器
    steps_per_epoch=100,  # 2000 / 20
    epochs=30,  # 迭代次数
    validation_data=validation_generator,  # 待验证的数据集
    validation_steps=50 
)

保存模型

In [21]:

# 保存模型
# model.save("cats_and_dogs_small.h5")

损失和精度曲线

In [22]:

import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

In [23]:

history_dict = history.history  # 字典形式
for key, _ in history_dict.items():
    print(key)
loss
acc
val_loss
val_acc

In [24]:

acc = history_dict["acc"]
val_acc = history_dict["val_acc"]

loss = history_dict["loss"]
val_loss = history_dict["val_loss"]

In [25]:

epochs = range(1, len(acc)+1)

# acc
plt.plot(epochs, acc, "bo", label="Training acc")
plt.plot(epochs, val_acc, "b", label="Validation acc")
plt.title("Training and Validation acc")
plt.legend()

plt.figure()

# loss
plt.plot(epochs, loss, "bo", label="Training loss")
plt.plot(epochs, val_loss, "b", label="Validation loss")
plt.title("Training and Validation loss")
plt.legend()

小结：得到过拟合的结论

1. 随着时间的增加，训练精度在不断增加，接近100%，而验证精度则停留在70%
2. 验证的损失差不多在第6轮后达到最小值，后面一定轮数内保持不变，训练的损失一直下降，直接接近0

数据增强-data augmentation

什么是数据增强

数据增强也是解决过拟合的一种方法，另外两种是：

1. dropout
2. 权重衰减正则化

什么是数据增强：从现有的训练样本中生成更多的训练数据，利用多种能够生成可信图像的随机变化来增加数据样本。

模型在训练时候不会查看两个完全相同的图像

设置数据增强

In [26]:

datagen = ImageDataGenerator(
    rotation_range=40,  # 0-180的角度值
    width_shift_range=0.2,  # 水平和垂直方向的范围；相对于总宽度或者高度的比例
    height_shift_range=0.2,
    shear_range=0.2,  # 随机错切变换的角度
    zoom_range=0.2,  # 图像随机缩放的角度
    horizontal_flip=True,  # 随机将一半图像进行水平翻转
    fill_mode="nearest"  # 用于填充新创建像素的方法
)

显示增强后图像

In [27]:

from keras.preprocessing import image

fnames = [os.path.join(train_cats_dir,fname) for fname in os.listdir(train_cats_dir)]
img_path = fnames[3]

In [28]:

# 读取图片并调整大小
img = image.load_img(img_path, target_size=(150,150))  
# 转成数组
x = image.img_to_array(img)

# shape转成(1,150,150,3)
x = x.reshape((1,) + x.shape)

i = 0
for batch in datagen.flow(x, batch_size=1):  # 生成随机变换后的图像批量
    plt.figure()   
    imgplot = plt.imshow(image.array_to_img(batch[0]))
    i += 1
    if i % 4 == 0:
        break  # 循环是无限，需要在某个时刻终止
        
plt.show()

包含Dropout层的新卷积神经网络

数据增强来训练网络的话，网络不会看到两次相同的输入。但是输入仍是高度相关的，不能完全消除过拟合。

可以考虑添加一个Dropout层，添加到密集分类连接器之前

In [29]:

import tensorflow as tf
from keras import layers 
from keras import models

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation="relu",
                               input_shape=(150,150,3)))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))  # 

model.add(tf.keras.layers.Flatten())

# 添加内容 
model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))

model.add(tf.keras.layers.Dense(512, activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.Dense(1, activation="sigmoid"))

model.compile(loss="binary_crossentropy",
             optimizer=optimizers.RMSprop(lr=1e-4),
             metrics=["acc"])

利用数据增强器来训练卷积神经网络（报错解决）

关于报错解决：我们训练图像有2000张，验证图像1000张，和1000张测试图像。

• steps_per_epoch=100，batch_size=32，如此数据应该是3200张，很明显输入训练数据不够。
• validation_steps=50，batch_size=32，如此数据应该是1600张，很明显验证数据不够。

因此，改为steps_per_epoch=2000/32≈63，validation_steps=1000/32≈32。

In [44]:

# 训练数据的增强
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
)

# 不能增强验证数据
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1.0 / 255)

train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
    train_dir,  # 目标目录
    target_size=(150,150),  # 大小调整
    batch_size=32,
    class_mode="binary"
)

validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(
    validation_dir,
    target_size=(150,150),
    batch_size=32,
    class_mode="binary"
)

# 优化：报错有修改
history = model.fit_generator(
    train_generator,
    # 原文 steps_per_epoch=100,
    steps_per_epoch=63,  # steps_per_epoch=2000/32≈63 取上限
    epochs=100,
    validation_data=validation_generator,
    # 原文 validation_steps=50
    validation_steps=32  # validation_steps=1000/32≈32
)

模型的保存：

# 保存模型
model.save("cats_and_dogs_small_2.h5")

损失和精度曲线

In [46]:

history_dict = history.history  # 字典形式

acc = history_dict["acc"]
val_acc = history_dict["val_acc"]
loss = history_dict["loss"]
val_loss = history_dict["val_loss"]

具体的绘图代码：

epochs = range(1, len(acc)+1)

# acc
plt.plot(epochs, acc, "bo", label="Training acc")
plt.plot(epochs, val_acc, "b", label="Validation acc")
plt.title("Training and Validation acc")
plt.legend()

plt.figure()

# loss
plt.plot(epochs, loss, "bo", label="Training loss")
plt.plot(epochs, val_loss, "b", label="Validation loss")
plt.title("Training and Validation loss")
plt.legend()

plt.show()

结论：在使用了数据增强之后，模型不再拟合，训练集曲线紧跟着验证曲线；而且精度也变为81%，相比未正则之前得到了提高。