CNN实战篇-手把手教你利用开源数据进行图像识别（基于keras搭建）

我一直强调做深度学习，最好是结合实际的数据上手，参照理论，对知识的掌握才会更加全面。先了解原理，然后找一匹数据来验证，这样会不断加深对理论的理解。

欢迎留言与交流！

数据来源: cifar10  (其他相关的图片的开源数据集下载见 ： https://yq.aliyun.com/articles/576274)  文末有全部代码

PS：神经网络系列多用于图像，文字的生成，解析，识别。因此需要掌握充足的开源数据集来验证所学的算法理论。

首先下载好数据后解压。数据的样子如下： data_batch1-5是训练集数据，test_batch是验证集， batches.meta是10个标签的含义

接下来分两个大步骤：

一是数据处理，使其符合模型的输入接口。

二是模型搭建，为了训练出准确有效的模型。

• 数据处理部分：

在python环境下导入需要的库

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from keras import backend as K
K.set_image_dim_ordering('tf')
from keras.applications.imagenet_utils import preprocess_input, decode_predictions
from keras.preprocessing import image

之后我们先导入并观察数据，处理成keras 搭建的模型可使用的格式。

导入代码:

# 定义读取方法
def unpickle(file):
    import pickle
    with open(file, 'rb') as fo:
        dict = pickle.load(fo, encoding='bytes')
    return dict

# 读取CIFAR10数据
cifar={}
# 合并5个训练集
for i in range(5):
    cifar1=unpickle('data_batch_'+str(i+1))
    if i==0:
        cifar[b'data']=cifar1[b'data']
        cifar[b'labels']=cifar1[b'labels']
    else:
        cifar[b'data']=np.vstack([cifar1[b'data'],cifar[b'data']])
        cifar[b'labels']=np.hstack([cifar1[b'labels'],cifar[b'labels']])
# label的含义 写在 batches.meta文件里
target_name=unpickle('batches.meta')
cifar[b'label_names']=target_name[b'label_names']    

# 测试集读取
cifar_test=unpickle('test_batch')
cifar_test[b'labels']=np.array(cifar_test[b'labels'])

合并之后，我们观察一下数据：

发现是rgb三通道数据拉伸成一维的像素了，即原来为32x32x3的rgb图像，变成了3072个行像素。
如下图：

那么接下来要做的就是还原数据，并看一下打好标签的10类对应的图片长什么样子

# 定义数据格式 将原三通道的一维数据还原至三通道的二维图片格式
blank_image= np.zeros((len(cifar[b'data']),32,32,3), np.uint8) #定义一个rpb图的集合
blank_image2= np.zeros((len(cifar[b'data']),32,32), np.uint8) #定义一个灰度图的集合 稍后写入
for i in range(len(cifar[b'data'])):
    blank_image[i] = np.zeros((32,32,3), np.uint8)
    blank_image[i][:,:,0]=cifar[b'data'][i][0:1024].reshape(32,32) #前1024个像素还原为32x32并写入到rgb的第一个red通道.
    blank_image[i][:,:,1]=cifar[b'data'][i][1024:1024*2].reshape(32,32) #中间1024个像素还原为32x32并写入到rgb的第二个green通道.
    blank_image[i][:,:,2]=cifar[b'data'][i][1024*2:1024*3].reshape(32,32) #后1024个像素还原为32x32并写入到rgb的第三个blue通道.
cifar[b'data']=blank_image
cifar[b'data2']=blank_image2

至此测试集还原完毕，可以看到测试集cifar[b'data']变成：

接着同理处理一下验证集,不做详述了:

# 测试集图片数据还原
blank_image= np.zeros((len(cifar_test[b'data']),32,32,3), np.uint8)
blank_image2= np.zeros((len(cifar_test[b'data']),32,32), np.uint8) #定义一个灰度图的集合 稍后写入
for i in range(len(cifar_test[b'data'])):
    blank_image[i] = np.zeros((32,32,3), np.uint8)
    blank_image[i][:,:,0]=cifar_test[b'data'][i][0:1024].reshape(32,32)
    blank_image[i][:,:,1]=cifar_test[b'data'][i][1024:1024*2].reshape(32,32)
    blank_image[i][:,:,2]=cifar_test[b'data'][i][1024*2:1024*3].reshape(32,32)

# data2处理成黑白 data处理为彩色
cifar_test[b'data']=blank_image
cifar_test[b'data2']=blank_image2

我们选10个种类 各画一张图观察一下：

# 画图关闭
target_list=pd.Series(cifar[b'labels']).drop_duplicates() # labels去重
target_list=target_list.sort_values()  # labels排序
target_list=list(target_list.index) # 提取后即为10个标签对应的测试集的位置，找出这些位置的图画出来即可
target_figure=cifar[b'data'][target_list];

for i in range(10):
    plt.subplot(2,5,1+i)
    plt.imshow(target_figure[i]),plt.axis('off') 

数据集的10个label图:

现在到了数据处理的最后一步，定义测试集和训练集，并归一化：

# 训练数据集定义，训练集，测试集归一化
x_train=cifar[b'data'] # 训练集数据
y_train=cifar[b'labels'] # 训练集标签
x_test=cifar_test[b'data'] # 验证集标签
y_test=cifar_test[b'labels'] # 验证集标签

x_train=x_train.reshape(-1,32,32,3) # 训练集格式确保为32x32的rgb三通道格式
x_test=x_test.reshape(-1,32,32,3)  #  验证集同理
class_names=cifar[b'label_names'];

x_train = x_train.astype('float32')
x_test = x_test.astype('float32')
x_train=x_train/255 #将像素的0到255 归一化至0-1
x_test=x_test/255

至此数据处理部分完毕，等待模型建立后调用即可。

• 模型建立部分：

# 由经典卷积神经模型 VGG16 简化而来
model = tf.keras.models.Sequential([ #此处可简化，但须均维持keras格式或者tf格式\

  tf.keras.layers.Conv2D(32,
                         kernel_size=(3, 3),
                         padding='same',
                         activation='relu',
                         input_shape=(32,32,3)
                         ),      #第一层卷积 卷积核为3x3    

  tf.keras.layers.Conv2D(32,
                         kernel_size=(3,3),
                         activation='relu',
                         padding='same',
                         data_format='channels_last',
                         ),     #第二层卷积 卷积核为3x3

  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)), # 池化 缩小
  tf.keras.layers.Dropout(0.25),  # 防止过拟合

  tf.keras.layers.Conv2D(64,
                         kernel_size=(3, 3),
                         padding='same',
                         activation='relu',
                         input_shape=(32,32,1)
                         ),          

  tf.keras.layers.Conv2D(64,
                         kernel_size=(3,3),
                         activation='relu',
                         padding='same',
                         data_format='channels_last',
                         ),

  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)), # 池化缩小
  tf.keras.layers.Dropout(0.25),   # 防止过拟合

  tf.keras.layers.Flatten(),  # 将所有特征展平为一维

  tf.keras.layers.Dense(512,activation='relu'), # 与一个512节点全链接，激活条件 relu
  tf.keras.layers.Dropout(0.5),           

  tf.keras.layers.Dense(10,activation=tf.nn.softmax) # 分类专用激活函数 softmax
  ])

CNN框架解析: 按照步骤来--->

　　1. 输入rgb图片32x32x3：(一共有50000个，一个一个来)

　　2. 经过第一次卷积变成了 32x32x32，

(第一步卷积说明: 按照我们参数的设置建立了32个神经元，每个神经元由一个3x3x3的卷积核，也就是32个不同的卷积核卷积后形成了32个不同的特征，因此卷积后将32x32x3大小的图特征维度变成了32。其中每一个神经元有3x3x3+1（bias）个权重。 )

　　3. 经过第二次卷积变成了 32x32x32，

　　4. 再经过2x2的步长为2的池化(最大池化法)，缩小一倍。

　　5. 经过第三次卷积变成了 32x32x64，

　　6. 经过第四次卷积变成了 32x32x64，

　　7. 再经过2x2的步长为2的池化，缩小一倍

　　8. 随后拉伸为一维和一个512节点进行全连接，

　　9. 再与一个10个节点全连接)

这一部分对应下图:

模型搭建好以后就要开始使用它，即模型编译与开始训练：

# 模型编译
model.compile(optimizer='adam',# keras.optimizers.Adadelta()
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

# 模型加载训练集  callbacks=tensorboard 监控
model.fit(x_train, y_train,batch_size=32, epochs=10,verbose=1, validation_data=(x_test, y_test),
          callbacks=[keras.callbacks.TensorBoard(log_dir='./tmp/keras_log',write_images=1, histogram_freq=1),
                     ]) #verbos 输出日志 keras.callbacks.EarlyStopping(patience=10, monitor='val_acc')

# epochs 数据集所有样本跑过一遍的次数 搭配 batch_size多少个一组进行训练 调整权重
model.evaluate(x_test, y_test,verbose=0)

这一部分的核心是需要了解 优化器，loss函数的不同种类和适用范围。即 model.compile中

optimizer 和 loss 的定义

待训练完毕后 可以加载tensorboard观察模型和训练过程:

# tensorboard 加载监控
import webbrowser
url='http://a1414l039:6006'
webbrowser.open(url, new=0, autoraise=True)
import os
cmd='cd /d '+os.getcwd()+'\\tmp && tensorboard --logdir keras_log'
os.system(cmd)
keras.backend.clear_session()#必要-用以解决重复调用时会话应结束

跑10轮后正确率在验证集和训练集基本维持在78%以上了。

如果需要提高精确度可以适当将全连接层的节点数放大，比如512换成1000.

如果图片大于32x32的话，根据情况拓展卷积的深度。

整体代码附上：

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Thu Jan 27 14:29:54 2019

@author: wenzhe.tian
"""

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from keras import backend as K
K.set_image_dim_ordering('tf')
from keras.applications.imagenet_utils import preprocess_input, decode_predictions
from keras.preprocessing import image

# 定义读取方法
def unpickle(file):
    import pickle
    with open(file, 'rb') as fo:
        dict = pickle.load(fo, encoding='bytes')
    return dict

# 读取CIFAR10数据
cifar={}
# 合并给5个训练集
for i in range(5):
    cifar1=unpickle('data_batch_'+str(i+1))
    if i==0:
        cifar[b'data']=cifar1[b'data']
        cifar[b'labels']=cifar1[b'labels']
    else:
        cifar[b'data']=np.vstack([cifar1[b'data'],cifar[b'data']])
        cifar[b'labels']=np.hstack([cifar1[b'labels'],cifar[b'labels']])
# label的含义 写在 batches.meta文件里
target_name=unpickle('batches.meta')
cifar[b'label_names']=target_name[b'label_names']    

# 测试集读取
cifar_test=unpickle('test_batch')
cifar_test[b'labels']=np.array(cifar_test[b'labels'])

# 定义数据格式 将原三通道的一维数据还原至三通道的二维图片格式
blank_image= np.zeros((len(cifar[b'data']),32,32,3), np.uint8) #定义一个rpb图的集合
blank_image2= np.zeros((len(cifar[b'data']),32,32), np.uint8) #定义一个灰度图的集合 稍后写入
for i in range(len(cifar[b'data'])):
    blank_image[i] = np.zeros((32,32,3), np.uint8)
    blank_image[i][:,:,0]=cifar[b'data'][i][0:1024].reshape(32,32) #前1024个像素还原为32x32并写入到rgb的第一个red通道.
    blank_image[i][:,:,1]=cifar[b'data'][i][1024:1024*2].reshape(32,32) #中间1024个像素还原为32x32并写入到rgb的第二个green通道.
    blank_image[i][:,:,2]=cifar[b'data'][i][1024*2:1024*3].reshape(32,32) #后1024个像素还原为32x32并写入到rgb的第三个blue通道.
cifar[b'data']=blank_image
cifar[b'data2']=blank_image2

# 测试集图片数据还原
blank_image= np.zeros((len(cifar_test[b'data']),32,32,3), np.uint8)
blank_image2= np.zeros((len(cifar_test[b'data']),32,32), np.uint8) #定义一个灰度图的集合 稍后写入
for i in range(len(cifar_test[b'data'])):
    blank_image[i] = np.zeros((32,32,3), np.uint8)
    blank_image[i][:,:,0]=cifar_test[b'data'][i][0:1024].reshape(32,32)
    blank_image[i][:,:,1]=cifar_test[b'data'][i][1024:1024*2].reshape(32,32)
    blank_image[i][:,:,2]=cifar_test[b'data'][i][1024*2:1024*3].reshape(32,32)

# data2处理成黑白 data处理为彩色
cifar_test[b'data']=blank_image
cifar_test[b'data2']=blank_image2

# 画图关闭
#target_list=pd.Series(cifar[b'labels']).drop_duplicates() # labels去重
#target_list=target_list.sort_values()  # labels排序
#target_list=list(target_list.index) # 提取后即为10个标签对应的测试集的位置，找出这些位置的图画出来即可
#target_figure=cifar[b'data'][target_list];
#
#for i in range(10):
#    plt.subplot(2,5,1+i)
#    plt.imshow(target_figure[i]),plt.axis('off') 

# 转化为灰度预测
def rgb2gray(rgb):
    r, g, b = rgb[:,:,0], rgb[:,:,1], rgb[:,:,2]
    gray = 0.2989 * r + 0.5870 * g + 0.1140 * b
    return gray

for i in range(len(cifar_test[b'data'])):
    temp=rgb2gray(cifar_test[b'data'][i])
    cifar_test[b'data2'][i]=temp

for i in range(len(cifar[b'data'])):
    temp=rgb2gray(cifar[b'data'][i])
    cifar[b'data2'][i]=temp

# 训练数据集定义，训练集，测试集归一化
x_train=cifar[b'data'] # 训练集数据
y_train=cifar[b'labels'] # 训练集标签
x_test=cifar_test[b'data'] # 验证集标签
y_test=cifar_test[b'labels'] # 验证集标签

x_train=x_train.reshape(-1,32,32,3) # 训练集格式确保为32x32的rgb三通道格式
x_test=x_test.reshape(-1,32,32,3)  #  验证集同理
class_names=cifar[b'label_names'];

x_train = x_train.astype('float32')
x_test = x_test.astype('float32')
x_train=x_train/255 #将像素的0到255 归一化至0-1
x_test=x_test/255

# 由经典卷积神经模型 VGG16 简化而来
model = tf.keras.models.Sequential([ #此处可简化，但须均维持keras格式或者tf格式\

  tf.keras.layers.Conv2D(32,
                         kernel_size=(3, 3),
                         padding='same',
                         activation='relu',
                         input_shape=(32,32,3)
                         ),      #第一层卷积 卷积核为3x3    

  tf.keras.layers.Conv2D(32,
                         kernel_size=(3,3),
                         activation='relu',
                         padding='same',
                         data_format='channels_last',
                         ),     #第二层卷积 卷积核为3x3

  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)), # 池化 缩小
  tf.keras.layers.Dropout(0.25),  # 防止过拟合

  tf.keras.layers.Conv2D(64,
                         kernel_size=(3, 3),
                         padding='same',
                         activation='relu',
                         input_shape=(32,32,1)
                         ),          

  tf.keras.layers.Conv2D(64,
                         kernel_size=(3,3),
                         activation='relu',
                         padding='same',
                         data_format='channels_last',
                         ),

  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)), # 池化缩小
  tf.keras.layers.Dropout(0.25),   # 防止过拟合

  tf.keras.layers.Flatten(),  # 将所有特征展平为一维

  tf.keras.layers.Dense(512,activation='relu'), # 与一个512节点全链接，激活条件 relu
  tf.keras.layers.Dropout(0.5),           

  tf.keras.layers.Dense(10,activation=tf.nn.softmax) # 分类专用激活函数 softmax
  ])

# 模型编译
model.compile(optimizer='adam',# keras.optimizers.Adadelta()
              loss='sparse_categorical_crossentropy',#tf.keras.losses.categorical_crossentropy会造成单一种类标签
              metrics=['accuracy'])

# 模型加载训练集  callbacks=tensorboard 监控
model.fit(x_train, y_train,batch_size=32, epochs=10,verbose=1, validation_data=(x_test, y_test),
          callbacks=[keras.callbacks.TensorBoard(log_dir='./tmp/keras_log',write_images=1, histogram_freq=1),
                     ]) #verbos 输出日志 keras.callbacks.EarlyStopping(patience=10, monitor='val_acc')

# epochs 数据集所有样本跑过一遍的次数 搭配 batch_size多少个一组进行训练 调整权重
model.evaluate(x_test, y_test,verbose=0)

# tensorboard 加载监控
import webbrowser
url='http://a1414l039:6006'
webbrowser.open(url, new=0, autoraise=True)
import os
cmd='cd /d '+os.getcwd()+'\\tmp && tensorboard --logdir keras_log'
os.system(cmd)

# 经过图像处理后的手机图片预测结果
#plt.figure(figsize=(10,10))
#for i in range(6):
#    plt.subplot(3,2,i+1)
#    plt.xticks([])
#    plt.yticks([])
#    plt.grid(False)
#    plt.imshow(temp_test_ori[i], cmap=plt.cm.binary)
#    plt.xlabel(answer[i])

'''
保存模型 加载权重
'''

# Returns a short sequential model
keras.backend.clear_session()#必要-用以解决重复调用时会话应结束