DenseNet实战:tensorflow2.X版本,DenseNet121图像分类任务(小数据集)

AI浩 发表于 2022/01/20 18:33:20 2022/01/20
【摘要】 摘要本例提取了猫狗大战数据集中的部分数据做数据集,演示tensorflow2.0以上的版本如何使用Keras实现图像分类,分类的模型使用DenseNet121。 训练 第一步 导入需要的数据包,设置全局参数import numpy as npfrom tensorflow.keras.optimizers import Adamimport cv2from tensorflow.keras...

摘要

本例提取了猫狗大战数据集中的部分数据做数据集,演示tensorflow2.0以上的版本如何使用Keras实现图像分类,分类的模型使用DenseNet121。

训练

第一步 导入需要的数据包,设置全局参数

import numpy as np
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
import cv2
from tensorflow.keras.preprocessing.image import img_to_array
from sklearn.model_selection import train_test_split
from tensorflow.python.keras.callbacks import ModelCheckpoint, ReduceLROnPlateau
from tensorflow.keras.applications.densenet import DenseNet121
import os
from tensorflow.keras.models import load_model

norm_size = 100
datapath = 'data/train'
EPOCHS = 100
INIT_LR = 1e-3
labelList = []
dicClass = {'cat': 0, 'dog': 1}
classnum = 2
batch_size = 16

这里可以看出tensorflow2.0以上的版本集成了Keras,我们在使用的时候就不必单独安装Keras了,以前的代码升级到tensorflow2.0以上的版本将keras前面加上tensorflow即可。

tensorflow说完了,再说明一下几个重要的全局参数:

  • norm_size = 100 设置输入图像的大小,图像的大小根据自己的需求设置,别太大,够用就行了(DenseNet121默认的图片尺寸是224×224,我们在这里并没有按照默认的)。

  • datapath = ‘data/train’ 设置图片存放的路径,在这里要说明一下如果图片很多,一定不要放在工程目录下,否则Pycharm加载工程的时候会浏览所有的图片,很慢很慢。

  • EPOCHS = 100 epochs的数量,关于epoch的设置多少合适,这个问题很纠结,一般情况设置300足够了,如果感觉没有训练好,再载入模型训练。

  • INIT_LR = 1e-3 学习率,一般情况从0.001开始逐渐降低,也别太小了到1e-6就可以了。

  • classnum = 2 类别数量,数据集有两个类别,所有就分为两类。

  • batch_size = 16 batchsize,根据硬件的情况和数据集的大小设置,太小了loss浮动太大,太大了收敛不好,根据经验来,一般设置为2的次方。windows可以通过任务管理器查看显存的占用情况。

    image-20220120064134160

    Ubuntu可以使用nvidia-smi查看显存的占用。

    image-20220120064407104

第二步 加载图片

处理图像的步骤:

  1. 读取图像
  2. 用指定的大小去resize图像。
  3. 将图像转为数组
  4. 图像归一化
  5. 标签onehot(标签要不要做onehot和选用的loss函数有关,本例选用的loss可以直接处理标签,所以不用onehot)

具体做法详见代码:

def loadImageData():
    imageList = []
    listImage = os.listdir(datapath)
    for img in listImage:
        labelName = dicClass[img.split('.')[0]]
        print(labelName)
        labelList.append(labelName)
        dataImgPath = os.path.join(datapath, img)
        print(dataImgPath)
        image = cv2.imdecode(np.fromfile(dataImgPath, dtype=np.uint8), -1)
        image = cv2.resize(image, (norm_size, norm_size), interpolation=cv2.INTER_LANCZOS4)
        image = img_to_array(image)
        imageList.append(image)
    imageList = np.array(imageList, dtype="int") / 255.0
    return imageList


print("开始加载数据")
imageArr = loadImageData()
labelList = np.array(labelList)
print("加载数据完成")
print(labelList)

做好数据之后,我们需要切分训练集和测试集,一般按照4:1或者7:3的比例来切分。切分数据集使用train_test_split()方法,需要导入from sklearn.model_selection import train_test_split 包。例:

trainX, valX, trainY, valY = train_test_split(imageArr, labelList, test_size=0.2, random_state=42)

第三步 图像增强

ImageDataGenerator()是keras.preprocessing.image模块中的图片生成器,同时也可以在batch中对数据进行增强,扩充数据集大小,增强模型的泛化能力。比如进行旋转,变形,归一化等等。

keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(featurewise_center=False,samplewise_center
=False, featurewise_std_normalization=False, samplewise_std_normalization=False,zca_whitening=False,
 zca_epsilon=1e-06, rotation_range=0.0, width_shift_range=0.0, height_shift_range=0.0,brightness_range=None, shear_range=0.0, zoom_range=0.0,channel_shift_range=0.0, fill_mode='nearest', cval=0.0, horizontal_flip=False, vertical_flip=False, rescale=None, preprocessing_function=None,data_format=None,validation_split=0.0)

参数:

  • featurewise_center: Boolean. 对输入的图片每个通道减去每个通道对应均值。
  • samplewise_center: Boolan. 每张图片减去样本均值, 使得每个样本均值为0。
  • featurewise_std_normalization(): Boolean()
  • samplewise_std_normalization(): Boolean()
  • zca_epsilon(): Default 12-6
  • zca_whitening: Boolean. 去除样本之间的相关性
  • rotation_range(): 旋转范围
  • width_shift_range(): 水平平移范围
  • height_shift_range(): 垂直平移范围
  • shear_range(): float, 透视变换的范围
  • zoom_range(): 缩放范围
  • fill_mode: 填充模式, constant, nearest, reflect
  • cval: fill_mode == 'constant’的时候填充值
  • horizontal_flip(): 水平反转
  • vertical_flip(): 垂直翻转
  • preprocessing_function(): user提供的处理函数
  • data_format(): channels_first或者channels_last
  • validation_split(): 多少数据用于验证集

本例使用的图像增强代码如下:

train_datagen = ImageDataGenerator(featurewise_center=True,
                                   featurewise_std_normalization=True,
                                   rotation_range=20,
                                   width_shift_range=0.2,
                                   height_shift_range=0.2,
                                   horizontal_flip=True)
val_datagen = ImageDataGenerator()  # 验证集不做图片增强

train_generator = train_datagen.flow(trainX, trainY, batch_size=batch_size, shuffle=True)
val_generator = val_datagen.flow(valX, valY, batch_size=batch_size, shuffle=True)

第四步 保留最好的模型和动态设置学习率

ModelCheckpoint:用来保存成绩最好的模型。

语法如下:

keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath, monitor='val_loss', verbose=0, save_best_only=False, save_weights_only=False, mode='auto', period=1)

该回调函数将在每个epoch后保存模型到filepath

filepath可以是格式化的字符串,里面的占位符将会被epoch值和传入on_epoch_end的logs关键字所填入

例如,filepath若为weights.{epoch:02d-{val_loss:.2f}}.hdf5,则会生成对应epoch和验证集loss的多个文件。

参数

  • filename:字符串,保存模型的路径
  • monitor:需要监视的值
  • verbose:信息展示模式,0或1
  • save_best_only:当设置为True时,将只保存在验证集上性能最好的模型
  • mode:‘auto’,‘min’,‘max’之一,在save_best_only=True时决定性能最佳模型的评判准则,例如,当监测值为val_acc时,模式应为max,当检测值为val_loss时,模式应为min。在auto模式下,评价准则由被监测值的名字自动推断。
  • save_weights_only:若设置为True,则只保存模型权重,否则将保存整个模型(包括模型结构,配置信息等)
  • period:CheckPoint之间的间隔的epoch数

ReduceLROnPlateau:当评价指标不在提升时,减少学习率,语法如下:

keras.callbacks.ReduceLROnPlateau(monitor='val_loss', factor=0.1, patience=10, verbose=0, mode='auto', epsilon=0.0001, cooldown=0, min_lr=0)

当学习停滞时,减少2倍或10倍的学习率常常能获得较好的效果。该回调函数检测指标的情况,如果在patience个epoch中看不到模型性能提升,则减少学习率

参数

  • monitor:被监测的量
  • factor:每次减少学习率的因子,学习率将以lr = lr*factor的形式被减少
  • patience:当patience个epoch过去而模型性能不提升时,学习率减少的动作会被触发
  • mode:‘auto’,‘min’,‘max’之一,在min模式下,如果检测值触发学习率减少。在max模式下,当检测值不再上升则触发学习率减少。
  • epsilon:阈值,用来确定是否进入检测值的“平原区”
  • cooldown:学习率减少后,会经过cooldown个epoch才重新进行正常操作
  • min_lr:学习率的下限

本例代码如下:

checkpointer = ModelCheckpoint(filepath='weights_best_Deset_model.hdf5',
                               monitor='val_accuracy', verbose=1, save_best_only=True, mode='max')

reduce = ReduceLROnPlateau(monitor='val_accuracy', patience=10,
                           verbose=1,
                           factor=0.5,
                           min_lr=1e-6)

第五步 建立模型并训练

model = DenseNet121(weights=None,input_shape=(norm_size, norm_size, 3), classes=classnum)
optimizer = Adam(lr=INIT_LR)
model.compile(optimizer=optimizer, loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

history = model.fit_generator(train_generator,
                              steps_per_epoch=trainX.shape[0] / batch_size,
                              validation_data=val_generator,
                              epochs=EPOCHS,
                              validation_steps=valX.shape[0] / batch_size,
                              callbacks=[checkpointer, reduce],
                              verbose=1, shuffle=True)
model.save('my_model_Desnet.h5')

第六步 保留训练结果,并将其生成图片

loss_trend_graph_path = r"WW_loss.jpg"
acc_trend_graph_path = r"WW_acc.jpg"
import matplotlib.pyplot as plt

print("Now,we start drawing the loss and acc trends graph...")
# summarize history for accuracy
fig = plt.figure(1)
plt.plot(history.history["accuracy"])
plt.plot(history.history["val_accuracy"])
plt.title("Model accuracy")
plt.ylabel("accuracy")
plt.xlabel("epoch")
plt.legend(["train", "test"], loc="upper left")
plt.savefig(acc_trend_graph_path)
plt.close(1)
# summarize history for loss
fig = plt.figure(2)
plt.plot(history.history["loss"])
plt.plot(history.history["val_loss"])
plt.title("Model loss")
plt.ylabel("loss")
plt.xlabel("epoch")
plt.legend(["train", "test"], loc="upper left")
plt.savefig(loss_trend_graph_path)
plt.close(2)
print("We are done, everything seems OK...")
# #windows系统设置10关机
os.system("shutdown -s -t 10")

测试部分

单张图片预测

1、导入依赖

import cv2
import numpy as np
from tensorflow.keras.preprocessing.image import img_to_array
from  tensorflow.keras.models import load_model
import time

2、设置全局参数

这里注意,字典的顺序和训练时的顺序保持一致

norm_size=100
imagelist=[]
emotion_labels = {
    0: 'cat',
    1: 'dog'
}

3、加载模型

emotion_classifier=load_model("my_model_Desnet.h5")
t1=time.time()

4、处理图片

处理图片的逻辑和训练集也类似,步骤:

  • 读取图片
  • 将图片resize为norm_size×norm_size大小。
  • 将图片转为数组。
  • 放到imagelist中。
  • imagelist整体除以255,把数值缩放到0到1之间。
image = cv2.imdecode(np.fromfile('test/8.jpg', dtype=np.uint8), -1)
# load the image, pre-process it, and store it in the data list
image = cv2.resize(image, (norm_size, norm_size), interpolation=cv2.INTER_LANCZOS4)
image = img_to_array(image)
imagelist.append(image)
imageList = np.array(imagelist, dtype="float") / 255.0

5、预测类别

预测类别,并获取最高类别的index。

pre=np.argmax(emotion_classifier.predict(imageList))
emotion = emotion_labels[pre]
t2=time.time()
print(emotion)
t3=t2-t1
print(t3)

批量预测

批量预测和单张预测的差别主要在读取数据上,以及预测完成后,对预测类别的处理。其他的没有变化。

步骤:

  • 加载模型。
  • 定义测试集的目录
  • 获取目录下的图片
  • 循环循环图片
    • 读取图片
    • resize图片
    • 转数组
    • 放到imageList中
  • 缩放到0到255.
  • 预测
emotion_classifier=load_model("my_model_Desnet.h5")
t1=time.time()
predict_dir = 'data/test'
test11 = os.listdir(predict_dir)
for file in test11:
    filepath=os.path.join(predict_dir,file)

    image = cv2.imdecode(np.fromfile(filepath, dtype=np.uint8), -1)
    # load the image, pre-process it, and store it in the data list
    image = cv2.resize(image, (norm_size, norm_size), interpolation=cv2.INTER_LANCZOS4)
    image = img_to_array(image)
    imagelist.append(image)
imageList = np.array(imagelist, dtype="float") / 255.0
out = emotion_classifier.predict(imageList)
print(out)
pre = [np.argmax(i) for i in out]
print(pre)

完整代码:
https://download.csdn.net/download/hhhhhhhhhhwwwwwwwwww/76899901

【版权声明】本文为华为云社区用户原创内容,转载时必须标注文章的来源(华为云社区),文章链接,文章作者等基本信息,否则作者和本社区有权追究责任。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,欢迎发送邮件至:cloudbbs@huaweicloud.com进行举报,并提供相关证据,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。
  • 点赞
  • 收藏
  • 关注作者

评论(0

0/1000
抱歉,系统识别当前为高风险访问,暂不支持该操作

全部回复

上滑加载中

设置昵称

在此一键设置昵称,即可参与社区互动!

*长度不超过10个汉字或20个英文字符,设置后3个月内不可修改。

*长度不超过10个汉字或20个英文字符,设置后3个月内不可修改。