这篇博客主要是使用Keras框架微调Inception V3模型对卫星图片进行分类,并测试;

1. 流程概述

  微调Inception V3对卫星图片进行分类;整个流程可以大致分成四个步骤,如下:

  • (1)Satellite数据集准备;
  • (2)搭建Inception V3网络;
  • (3)进行训练;
  • (4)测试;

2. 准备数据集

2.1 Satellite数据集介绍

  用于实验训练与测试的数据集来自于《21个项目玩转深度学习:基于Tensorflow的实践详解》第三章中提供的实验卫星图片数据集;

  Satellite数据集目录结构如下:

# 其中共6类卫星图片,训练集总共4800张,每类800张;验证集共1200张,每类200张;
Satellite/
train/
glacier/
rock/
urban/
water/
wetland/
wood/
validation/
glacier/
rock/
urban/
water/
wetland/
wood/

3. Inception V3网络

  待补充;

4. 训练

4.1 基于Keras微调Inception V3网络

from keras.application.incepiton_v3 import InceptionV3, preprocess_input
from keras.layers import GlobalAveragePooling2D, Dense # 基础Inception_V3模型,不包含全连接层
base_model = InceptionV3(weights='imagenet', include_top=False)
# 增加新的输出层
x = base_model.output
x = GlobalAveragePooling2D()(x) # 添加Global average pooling层
x = Dense(1024, activation='relu')(x)
predictions = Dense(6, activation='softmax')(x)

4.2 Keras实时生成批量增强数据

# keras实时生成批量增强数据
train_datagen = ImageDataGenerator(
preprocessing_function=preprocess_input, # 将每一张图片归一化到[-1,1];数据增强后执行;
rotation_range=30,
width_shift_range=0.2,
height_shift_range=0.2,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True,
)
val_datagen = ImageDataGenerator(
preprocessing_function=preprocess_input,
rotation_range=30,
width_shift_range=0.2,
height_shift_range=0.2,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True,
) # 指定数据集路径并批量生成增强数据
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(directory='satellite/data/train',
target_size=(299, 299),#Inception V3规定大小
batch_size=64)
val_generator = val_datagen.flow_from_directory(directory='satellite/data/validation',
target_size=(299,299),
batch_size=64)

4.3 配置transfer learning & finetune

from keras.optimizers import Adagrad

# transfer learning
def setup_to_transfer_learning(model,base_model):#base_model
for layer in base_model.layers:
layer.trainable = False
model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy']) # 配置模型,为下一步训练 # finetune
def setup_to_fine_tune(model,base_model):
GAP_LAYER = 17 # max_pooling_2d_2
for layer in base_model.layers[:GAP_LAYER+1]:
layer.trainable = False
for layer in base_model.layers[GAP_LAYER+1:]:
layer.trainable = True
model.compile(optimizer=Adagrad(lr=0.0001), loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

4.4 执行训练

# Step 1: transfer learning
setup_to_transfer_learning(model,base_model)
history_tl = model.fit_generator(generator=train_generator,
steps_per_epoch=75, # 800
epochs=10,
validation_data=val_generator,
validation_steps=64, # 12
class_weight='auto'
)
model.save('satellite/train_dir/satellite_iv3_tl.h5') # Step 2: finetune
setup_to_fine_tune(model,base_model)
history_ft = model.fit_generator(generator=train_generator,
steps_per_epoch=75,
epochs=10,
validation_data=val_generator,
validation_steps=64,
class_weight='auto')
model.save('satellite/train_dir/satellite_iv3_ft.h5')

5. 测试

5.1 对单张图片进行测试

# *-coding: utf-8 -*

"""
使用h5模型文件对satellite进行测试
"""
# ================================================================
import tensorflow as tf
import numpy as np
from skimage import io
from keras.models import load_model def normalize(array):
"""对给定数组进行归一化 Argument:
array: array
给定数组
Return:
array_norm: array
归一化后的数组
"""
array_flatten = array.flatten()
array_mean = np.mean(array_flatten)
mx = np.max(array_flatten)
mn = np.min(array_flatten)
array_norm = [(float(i) - array_mean) / (mx - mn) for i in array_flatten] return np.reshape(array_norm, array.shape) def img_preprocess(image_path):
"""根据图片路径,对图片进行相应预处理 Argument:
image_path: str
输入图片路径
Return:
image_data: array
预处理好的图像数组
"""
img_array = io.imread(image_path)
img_norm = normalize(img_array)
size = img_norm.shape
image_data = np.reshape(img_norm, (1, size[0], size[1], 3)) return image_data def index_to_label(index):
"""将标签索引转换成可读的标签 Argument:
index: int
标签索引位置
Return:
human_label: str
人可读的标签
"""
labels = ["glacier", "rock", "urban", "water", "wetland", "wood"]
human_label = labels[index] return human_label def classifier_satellite_byh5(image_path, model_file_path):
"""对给定单张图片使用训练好的模型进行分类 Argument:
image_path: str
输入图片路径
model_file_path: str
训练好的h5模型文件名称
Return:
human_label: str
人可读的图片标签
"""
image_data = img_preprocess(image_path)
# 加载模型文件
model = load_model(model_file_path)
predictions = model.predict(image_data) human_label = index_to_label(np.argmax(predictions)) return human_label def classifier_satellite_byh5_hci(image_path):
"""用于对从交互界面传来的图片进行分类 Argument:
image_path: str
Return:
human_label: str
人可读的图片标签
"""
# 模型文件,如果有新的模型需要修改
model_file_path = "satellite/train_dir/models/satellite_iv3_ft.h5" image_data = img_preprocess(image_path)
# 加载模型文件
model = load_model(model_file_path)
predictions = model.predict(image_data) human_label = index_to_label(np.argmax(predictions)) return human_label # 测试单张图片
if __name__ == "__main__":
image_path = "satellite/data/train/glacier/40965_91335_18.jpg"
model_file_path = "satellite/train_dir/models/satellite_iv3_ft.h5" human_label = classifier_satellite_byh5(image_path, model_file_path)
print(human_label)

6. 可视化分类界面

6.1 交互界面设计

# encoding: utf-8
"""
交互界面:使用训练好的模型对卫星图片进行分类;
""" from tkinter import *
import tkinter
import tkinter.filedialog
import os
import tkinter.messagebox
from PIL import Image, ImageTk
import test_satellite_bypb # 窗口属性
root = tkinter.Tk()
root.title('Satellite图像分类')
root.geometry('800x600') formatImg = ['jpg'] def resize(w, h, w_box, h_box, pil_image):
# 对一个pil_image对象进行缩放,让它在一个矩形框内,还能保持比例 f1 = 1.0*w_box/w # 1.0 forces float division in Python2
f2 = 1.0*h_box/h
factor = min([f1, f2])
width = int(w*factor)
height = int(h*factor)
return pil_image.resize((width, height), Image.ANTIALIAS) def showImg():
img1 = entry_imgPath.get() # 获取图片路径地址
pil_image = Image.open(img1) # 打开图片
# 期望显示大小
w_box = 400
h_box = 400
# 获取原始图像的大小
w, h = pil_image.size
pil_image_resized = resize(w, h, w_box, h_box, pil_image) # 把PIL图像对象转变为Tkinter的PhotoImage对象
tk_image = ImageTk.PhotoImage(pil_image_resized) img = tkinter.Label(image=tk_image, width=w_box, height=h_box)
img.image = tk_image
img.place(x=50, y=150) def choose_file():
text_showClass.delete(0.0, END) # 清空输出结果文本框,在再次选择图片文件之前清空上次结果;
selectFileName = tkinter.filedialog.askopenfilename(title='选择文件') # 选择文件
if selectFileName[-3:] not in formatImg:
tkinter.messagebox.askokcancel(title='出错', message='未选择图片或图片格式不正确') # 弹出错误窗口
return
else:
e.set(selectFileName) # 设置变量
showImg() # 显示图片 def ouputOfModel():
# 完成识别,显示类别
# 图片文件路径
text_showClass.delete(0.0, END) # 清空上次结果文本框
img_path = entry_imgPath.get() # 获取所选择的图片路径地址 # 判断是否存在改图片
if not os.path.exists(img_path):
tkinter.messagebox.askokcancel(title='出错', message='未选择图片文件或图片格式不正确')
else: # 得到输出结果,以及相应概率
human_label = test_satellite_bypb.classifier_satellite_img(img_path)
# 通过训练的模型,计算得到相对应输出类别 # 清空文本框中的内容,写入识别出来的类别
text_showClass.config(state=NORMAL)
text_showClass.insert('insert', '%s\n' % (human_label)) ##################
# 窗口部件
################## e = tkinter.StringVar() # 字符串变量 # label : 选择文件
label_selectImg = tkinter.Label(root, text='选择图片:')
label_selectImg.grid(row=0, column=0) # Entry: 显示图片文件路径地址
entry_imgPath = tkinter.Entry(root, width=80, textvariable=e)
entry_imgPath.grid(row=0, column=1) # Button: 选择图片文件
button_selectImg = tkinter.Button(root, text="选择", command=choose_file)
button_selectImg.grid(row=0, column=2) # Button: 执行识别程序按钮
button_recogImg = tkinter.Button(root, text="开始识别", command=ouputOfModel)
button_recogImg.grid(row=0, column=3) # Text: 显示结果类别文本框
text_showClass = tkinter.Text(root, width=20, height=1, font='18',)
text_showClass.grid(row=1, column=1)
text_showClass.config(state=DISABLED) root.mainloop()

6.2 后台核心代码:模型加载并分类

# *-coding: utf-8 -*

"""
使用h5模型文件对satellite进行测试
"""
# ================================================================
import tensorflow as tf
import numpy as np
from skimage import io
from keras.models import load_model def normalize(array):
"""对给定数组进行归一化 Argument:
array: array
给定数组
Return:
array_norm: array
归一化后的数组
"""
array_flatten = array.flatten()
array_mean = np.mean(array_flatten)
mx = np.max(array_flatten)
mn = np.min(array_flatten)
array_norm = [(float(i) - array_mean) / (mx - mn) for i in array_flatten] return np.reshape(array_norm, array.shape) def img_preprocess(image_path):
"""根据图片路径,对图片进行相应预处理 Argument:
image_path: str
输入图片路径
Return:
image_data: array
预处理好的图像数组
"""
img_array = io.imread(image_path)
img_norm = normalize(img_array)
size = img_norm.shape
image_data = np.reshape(img_norm, (1, size[0], size[1], 3)) return image_data def index_to_label(index):
"""将标签索引转换成可读的标签 Argument:
index: int
标签索引位置
Return:
human_label: str
人可读的标签
"""
labels = ["glacier", "rock", "urban", "water", "wetland", "wood"]
human_label = labels[index] return human_label def classifier_satellite_byh5(image_path, model_file_path):
"""对给定单张图片使用训练好的模型进行分类 Argument:
image_path: str
输入图片路径
model_file_path: str
训练好的h5模型文件名称
Return:
human_label: str
人可读的图片标签
"""
image_data = img_preprocess(image_path)
# 加载模型文件
model = load_model(model_file_path)
predictions = model.predict(image_data) human_label = index_to_label(np.argmax(predictions)) return human_label def classifier_satellite_byh5_hci(image_path):
"""用于对从交互界面传来的图片进行分类 Argument:
image_path: str
Return:
human_label: str
人可读的图片标签
"""
# 模型文件,如果有新的模型需要修改
model_file_path = "satellite/train_dir/models/satellite_iv3_ft.h5" image_data = img_preprocess(image_path)
# 加载模型文件
model = load_model(model_file_path)
predictions = model.predict(image_data) human_label = index_to_label(np.argmax(predictions)) return human_label # 测试单张图片
if __name__ == "__main__":
image_path = "satellite/data/train/glacier/40965_91335_18.jpg"
model_file_path = "satellite/train_dir/models/satellite_iv3_ft.h5" human_label = classifier_satellite_byh5(image_path, model_file_path)
print(human_label)

6.3 交互界面效果

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