18- TensorFlow实现CIFAR10分类 (tensorflow系列) (项目十八)

news2024/11/14 4:10:27

项目要点

导入cifar图片集: (train_image, train_label), (test_image, test_label) = cifar.load_data() # cifar = keras.datasets.cifar10
图片归一化处理: train_image = train_image / 255
定义模型: model = keras.Sequential()
- 输入层: model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', input_shape=(32, 32, 3)))
- 添加卷积层: model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
- Conv2D(filters, kernel_size, strides, padding, activation=‘relu’, input_shape)
  - filters: 过滤器数量
  - kernel_size: 指定（方形）卷积窗口的高和宽的数字
  - strides: 卷积步长, 默认为 1
  - padding: 卷积如何处理边缘。选项包括 ‘valid’ 和 ‘same’。默认为 ‘valid’
  - activation: 激活函数，通常设为 relu。如果未指定任何值，则不应用任何激活函数。强烈建议你向网络中的每个卷积层添加一个 ReLU 激活函数。
  - input_shape: 指定输入层的高度，宽度和深度的元组。当卷积层作为模型第一层时，必须提供此参数，否则不需要。
添加BN层: model.add(layers.BatchNormalization()) # 1.最重要的作用是加快网络的训练和收敛的速度； 2.控制梯度爆炸防止梯度消失； 3.防止过拟合
添加池化层: model.add(layers.MaxPooling2D()) # 可以加快计算速度和防止过拟合的作用。
添加dropout: model.add(layers.Dropout(0.25)) # 防止神经网络过拟合的手段。随机的拿掉网络中的部分神经元
添加全局平均池化: model.add(layers.GlobalAveragePooling2D()) # 替代全连接层, 减少参数数量，减少计算量，减少过拟合
添加输出层: model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
查看模型结构: model.summary()
配置模型:

model.compile(optimizer='adam',
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['acc'])

训练模型: history = model.fit(train_image, train_label, epochs=30, batch_size=128)
模型评估: model.evaluate(test_image, test_label)

1 数据集简介

CIFAR-10 是由 Hinton 的学生 Alex Krizhevsky 和 Ilya Sutskever 整理的一个用于识别普适物体的小型数据集。一共包含 10 个类别的 RGB 彩色图片：飞机（ airplane ）、汽车（ automobile ）、鸟类（ bird ）、猫（ cat ）、鹿（ deer ）、狗（ dog ）、蛙类（ frog ）、马（ horse ）、船（ ship ）和卡车（ truck ）。图片的尺寸为 32×32 ，数据集中一共有 50000 张训练图片和 10000 张测试图片。 CIFAR-10 的图片样例如图所示。

下面这幅图就是列举了10各类，每一类展示了随机的10张图片：

与 MNIST 数据集中目比， CIFAR-10 具有以下不同点：

CIFAR-10 是 3 通道的彩色 RGB 图像，而 MNIST 是灰度图像。
CIFAR-10 的图片尺寸为 32×32，而 MNIST 的图片尺寸为 28×28，比 MNIST 稍大。
相比于手写字符， CIFAR-10 含有的是现实世界中真实的物体，不仅噪声很大，而且物体的比例、特征都不尽相同，这为识别带来很大困难。直接的线性模型如 Softmax 在 CIFAR-10 上表现得很差

2 导包

import tensorflow as tf
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from tensorflow.keras.layers import Dense
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import tensorflow as tf

cpu=tf.config.list_physical_devices("CPU")
tf.config.set_visible_devices(cpu)
print(tf.config.list_logical_devices())

3 数据导入

cifar = keras.datasets.cifar10
(train_image, train_label), (test_image, test_label) = cifar.load_data()
train_image.shape, test_image.shape   # ((50000, 32, 32, 3),(10000, 32, 32, 3))

# 归一化处理
train_image = train_image / 255
test_image = test_image / 255

4 建立模型

Conv2D 构建卷积层。用于从输入的高维数组中提取特征。卷积层的每个过滤器就是一个特征映射，用于提取某一个特征，过滤器的数量决定了卷积层输出特征个数，或者输出深度。因此，图片等高维数据每经过一个卷积层，深度都会增加，并且等于过滤器的数量。

Conv2D(filters, kernel_size, strides, padding, activation=‘relu’, input_shape)

filters: 过滤器数量
kernel_size: 指定（方形）卷积窗口的高和宽的数字
strides: 卷积步长, 默认为 1
padding: 卷积如何处理边缘。选项包括 ‘valid’ 和 ‘same’。默认为 ‘valid’
activation: 激活函数，通常设为 relu。如果未指定任何值，则不应用任何激活函数。强烈建议你向网络中的每个卷积层添加一个 ReLU 激活函数。
input_shape: 指定输入层的高度，宽度和深度的元组。当卷积层作为模型第一层时，必须提供此参数，否则不需要。

GlobalAveragePooling2D()作用:

全局平均池化作用：如果要预测K个类别，在卷积特征抽取部分的最后一层卷积层，就会生成K个特征图，然后通过全局平均池化就可以得到 K个1×1的特征图，将这些1×1的特征图输入到softmax layer之后，每一个输出结果代表着这K个类别的概率（或置信度 confidence），起到取代全连接层的效果。
优点：

和全连接层相比，使用全局平均池化技术，对于建立特征图和类别之间的关系，是一种更朴素的卷积结构选择。 # 替换全连接层
全局平均池化层不需要参数，避免在该层产生过拟合。
全局平均池化对空间信息进行求和，对输入的空间变化的鲁棒性更强。

# 定义神经网络
model = keras.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', input_shape=(32, 32, 3)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.MaxPooling2D())
model.add(layers.Dropout(0.25))
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.MaxPooling2D())
model.add(layers.Dropout(0.25))
model.add(layers.Conv2D(256, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.Conv2D(256, (1, 1), activation='relu'))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.Dropout(0.25))          
model.add(layers.GlobalAveragePooling2D())
model.add(layers.Dense(128))
model.add(layers.BatchNormalization())  
model.add(layers.Dropout(0.5))         
model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
 
model.summary()

5 模型训练

model.compile(optimizer='adam',
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['acc'])
 
history = model.fit(train_image, train_label, epochs=30, batch_size=128)

model.evaluate(test_image, test_label)  # [0.7276686429977417, 0.7903000116348267]

存在一定的过拟合

6 一个简化的模型

注意输出层前需要添加全连接层, 不然报错.

# 定义神经网络
model = keras.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation = 'relu', input_shape = (32, 32, 3)))
model.add(layers.GlobalAveragePooling2D())        
model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
# 配置网络
model.compile(optimizer = 'adam',
              loss = 'sparse_categorical_crossentropy',
              metrics = ['acc'])
# 训练模型
histroy = model.fit(train_image, train_label, epochs=30, batch_size=128)