CNN 卷积神经网络之 DenseNet 网络的分类统一项目(包含自定义数据集的获取)

news2024/12/22 19:07:01

1. DenseNet 网络介绍

本章实现的项目是DenseNet 网络对花数据集的五分类，下载链接：

基于迁移学习的 DenseNet 图像分类项目

DenseNet 网络是在 ResNet 网络上的改进，大概的网络结构如下：

1.1 卷积的简单介绍

图像识别任务主要利用神经网络对图像进行特征提取，最后通过全连接层将特征和分类个数进行映射。传统的网络是利用线性网络对图像进行分类，然而图像信息是二维的，一般来说，图像像素点和周围邻域像素点相关。而线性分类网络将图像强行展平成一维，不仅仅忽略了图像的空间信息，而全连接层会大大增加网络的参数

为了更好把握图像像素的空间信息，提出了 CNN 卷积神经网络，利用卷积核(滤波器)对图像进行窗口化类似处理，这样可以更好的把握图像的空间信息。

这里定义两个名词：

1. 空间信息是指图像的宽高

2. 语义信息是类似手、脚一类图像本身具体的信息，神经网络中在 channel 中表现

CNN 卷积神经网络一般处理流程，将图像的宽高缩减，增加图像的channel 信息。这是因为我们往往更在乎图像的语义信息，所以正常神经网络都是将图像 size 缩半，channel 翻倍，一个通道提取一个语义，尺寸缩半是因为最大池化层之类的操作，可以增加网络的抗干扰能力。例如经典的VGG 网络就是每一层特征图size减半，channel 翻倍

如果想要提取更多的语义信息，就代表 channel 要更多

而网络的层数代表语义的高低之分，加入第一层可以每个channel 提取耳朵、鼻子。那么网络层数越深，提取的语义更高级，例如第二层每个channel 提取到狗的鼻子、猫的耳朵。所以，网络层数的多少代表能提取多么 "高级" 的语义信息

例如下图：浅层特征图提取的是边缘信息，深层的特征图可能是汽车的车牌啊、车轮啊啥的

网络的加宽，代表增加 channel 个数，提取更多特征

网络的加深，代表增加网络层数，提取更高级的语义信息

1.2 网络加宽、加深的危害

那么网络是不是越深越好？或者说网络宽度，channel 个数是不是越多越好？

答案是否定的，要不然早就有统一的网络可以实现图像识别的统一

网络层数越多、通道越多，网络会很繁重，参数的增多代表每次运行需要计算的量越大。虽然现在硬件的发展这点的影响越来越低，不过我们还是强调网络参数的多少

除了计算量大外，网络训练需要反向传播（矩阵反向传播：聊聊关于矩阵反向传播的梯度计算、从零实现反向传播：手动完成反向传播的多层线性网络对sin的回归）

反向传播每次的梯度发生一点改变，在更深的网络中会发生雪崩效应。例如1.2 好多层乘在一起，数字会越来愈大，如果0.2的话，好多层乘在一起，梯度几乎就变成0了，参数没法训练，网络也失去了意义，更多说还要乘更小的学习率了。前者叫梯度爆炸，后者叫梯度消失

1.3 ResNet 和 DenseNet

为了解决梯度爆炸或者梯度消失的问题，resnet 提出了resnet残差块结构，如下：

ResNet 中提出了 shortcut 结构，将上层的特征和本层特征融合，这样上层提取的浅层语义信息和高维的语义信息相加。这样网络理论上可以叠加的无限深！

关于网络层数的加深，这里有两种解释：

浅层的语义信息和高纬度的信息一直叠加，这样但凡网络有无限层，哪怕图像的语义信息已经没有全是0了，这样低维度的信息还在(例如浅层语义信息为1，高纬度的语义信息没有，为0，这样1+0=0，还是可以保存浅层的信息)，哪怕后续的层数全被浪费掉，浅层的信息还在不是吗？
因为shortcut 结构的存在，反向梯度的传播可以不用乘上很小的梯度，直接反向传递到上一层，这样梯度消失的问题也解决了，所以网络理论上可以增加无限深

有些人任务resnet 的成功就是 shortcut 的存在让网络可以成功反向传播，让网络可以训练的 "动"

不过，本人觉得第一种可以更好解释resnet为什么可以提取到更好的特征，也可以解释为什么resnet 的效果如此优越

OK，网络的加深的问题解决了，那么网络的宽度，也就是卷积核的个数如何设定？

这样没有标准，所以不少消融试验就是验证不同 channel 个数来找到最好的参数设定

那么如果不仅仅融合上一层的信息，而是将前面浅层全部融合会怎么样呢？

这就是DenseNet 的由来，密集连接

2. DenseNet 网络的使用

代码就不解释了

本章是DenseNet 网络对于数据集花的五分类：基于迁移学习的 DenseNet 图像分类项目

代码的使用很简单，只需要将数据集按照如下摆放即可，不需要更改任何参数。例如train和predict 中的分类个数啊，代码会自动生成，并且类别标签的 json 文件也会自动生成

结果展示：

可以看到，迁移学习下，精度达到了0.9 左右，比之前的resnet还是高很多的

训练过程展示：

混淆矩阵：

训练的超参数更改：

    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=100)
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=32)
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=0.01)
    parser.add_argument('--lrf', type=float, default=0.01)
    parser.add_argument('--freeze-layers', type=bool, default=False)     # 是否冻结权重

关于项目的其他问题：详细见README文件

3. 关于数据集

项目的迁移，关于如何利用自定义数据集进行训练

3.1 图像损坏问题

因为有的图像损坏，代码会报警告，这里提供代码进行移除

注意，需要自己建立 corrupt_image 文件，和data在同一目录即可，代码会将data下损坏的图像移除，保存在 corrupt_image 文件中

from PIL import Image
import os
import shutil
import warnings     # 将图片损坏信息转为错误
warnings.filterwarnings("error", category=UserWarning)


def main():
    # 训练集
    path = 'data/train'
    path_dir = [os.path.join(path, x) for x in os.listdir(path)]

    image_list = []       # 所有图片
    for i in path_dir:
        for j in os.listdir(i):
            image = os.path.join(i,j)
            image_list.append(image)

    for i in image_list:  # 遍历图片
        try:
            Image.open(i)
        except:
            print('corrupt img', i)
            shutil.move(i, 'corrupt_image')

    # 测试集
    path = 'data/test'
    path_dir = [os.path.join(path, x) for x in os.listdir(path)]

    image_list = []       # 所有图片
    for i in path_dir:
        for j in os.listdir(i):
            image = os.path.join(i,j)
            image_list.append(image)

    for i in image_list:  # 遍历图片
        try:
            Image.open(i)
        except IOError:
            print('corrupt img', i)
            shutil.move(i, 'corrupt_image')


if __name__ == '__main__':

    main()