【python】keras包：深度学习（ CNN卷积神经网络 convolution nulear network）

news2024/10/5 13:44:59

CNN卷积神经网络 convolution nulear network

应用场景

图像识别、根据轮廓识别的图像识别

算法逻辑

算法学得好的话，一眼就可以看出MLP就是暴力算法，时间效率低。因此希望提升效率。
剪枝方法： 先提取图像的关键信息（轮廓），再对其进行mlp模型训练
图像卷积运算： 用于提取图像的关键信息。数学原理是，对图像矩阵与滤波器矩阵进行对应相乘再求和运算，从而得到新的矩阵，这样

轮廓过滤器

数学原理讲解链接
轮廓过滤器： 根据上述数学原理证明，在这样的矩阵乘法下，可以快速定位轮廓特征。可以寻找横向轮廓过滤器、纵向轮廓过滤器、sobel过滤器
在这里插入图片描述
对于彩色图片，彩色图片是由三张图组成（即red,green,blue），图片是单张图的规格是xy3大小，因此需要对3个图分别进行卷积，再相加

池化

池化层实现维度缩减： 按照一定规则对图像矩阵进行处理，将其转换为更低维度的矩阵
最大池化法
在这里插入图片描述
poolint_size 指滑动窗口的大小
stride(2,2) 表示窗口的滑动步长
平均法池化

激活函数relu函数

f(x) = max(x,0)
作用：使得部分神经元为0，防止过拟合；有助于模型求解

算法效果

参数共享

同一个特征过滤器可以用于整张图片。
（可以用竖向特征过滤器，将整个图片中的竖向轮廓获取）

稀疏连接

生成的特征图片的每个节点只与原图中的特殊节点连接
依据：轮廓具有连续性，因此可以降低计算数据量的同时，不会对核心信息折损。

边缘信息折损

滑动窗口方法带来的问题：边缘信息只被计算少次，而中间信息会被多次计算
解决：图像填充在边缘添加新的空像素。

经典的CNN模型

LeNet-5

输入：32*32灰度图
训练参数：约60,000个
特点：1. 随着网络越深，图像高度和宽度越小，通道数增加
2. 卷积与池化先后成对使用
LeNet-5 论文

流程图

AlexNet

输入：2272273 RGB图（彩色图）
训练参数：60,000,000个
特点：1. 适用于识别较为复杂的彩色图，可识别1000种类别
2. 结构比LeNet更复杂，使用Relu作为激活函数

AlexNet 论文

VGG-16

输入：2242243 RGB图（彩色图）
训练参数：138,000,000个
特点：1. 所有卷积层的filter的宽和高都是3，步长为1
2. 所有池化层filter的宽和高都是2，步长为2
3. 相比alexnet，有更多的filter用于提取轮廓信息，具更高精准性
使用介绍
python中的VGG包，主要用于抓取图片特征；一般借助VGG算法抓取特征后，通过MLP算法进行训练和预测

算法流程

step1. 图像加载

step 2. 图像预处理

图像增强
图像预处理
数值归一化
旋转、缩放、平移

step 3. 建立模型

模型结构
卷积层
池化层

CNN实战

任务一：猫和狗识别（基于CNN模型实现）

基于dataset\training_set数据，建立CNN模型
进行训练数据集的训练，并从网上下载任意猫和狗的图片，对其进行预测
数据加载与预处理

from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
#图像预处理
train_datagen = ImageDataGenerator (rescale = 1./255)
#图像加载
training_set = train_datagen.flow_from_directory(
	'./Dataset/training_set',  # 从文件夹加载图像
	target_size = (50,50),  #图像尺寸转换为 50*50
	batch_size =32,  #CNN求解时，每次选取32个图片进行求解
	#batchsize越小，loss函数下降越不稳定
	class_mode = 'binary' #采取二分类模式
)

建立CNN模型

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Conv2D,MaxPooling2D,Flatten,Dense
#顺序模型
model = Sequential()
#卷积层
model.add( 
    Conv2D(
		32,(3,3), #32个 3*3 大小的 过滤器
		input_shape = (50,50,3), #输入数据为50*50的RBG图
		activation = 'relu',#  激活函数用relu
    )
)
#池化层
model.add(
    MaxPooling2D(
        pool_size=(2,2),#用2*2大小的池子
        strides=None, #步幅大小默认为1
    )
)
# 根据情况多添加几个(卷积、池化）层组

#Flattening层
model.add(Flatten()) #作用：把m行n列，转换为m*n行1列

#隐藏层
model.add(Dense(units=128,activation='relu'))
#输出层
model.add(Dense(units=1,activation='sigmoid'))

训练与评估

#配置模型
#参数配置
model.compile(
    optimizer='adam',
    loss='binary_crossentropy',
    metrics=['accuracy']
)
#查看模型结构
model.summary()
#训练模型
model.fit_generator(training_set, epochs=25)
#评估模型
model.evaluate_generator(training_set)

标签编码表

training_set.class_indices

任务二：猫狗识别（基于VGG16模型,结合MLP模型实现）

基于dataset\data_vgg数据，建立CNN模型
进行训练数据集的训练，并从网上下载任意猫和狗的图片，对其进行预测

Step1. 构建特征抓取函数（VGG-16算法）
‘-VGG模型建立-’

from keras.applications.vgg16 import VGG16
from keras.applications.vgg16 import preprocess_input
#VGG 模型
model_vgg = VGG16(
    weights='imagenet', #图像的特征提取结构
    include_top=False # 不需要全连接层
)

‘-特征抓取函数-’ ：仅保留图片的特征部分，返回值仍为图片

import numpy as np
from keras.utils import image_utils
#抓取函数
def feature_catch(img_path,model):
    img = image_utils.load_img( 
        img_path,
        target_size=(224,224)
    )
    img = image_utils.img_to_array(img)
    x = np.expand_dims(img,axis=0) #x是 增加一个维度后的img
    x = preprocess_input(x)
    x_vgg = model.predict(x) #x仍为图片形式
    x_vgg = x_vgg.reshape(1,7*7*512) #x被摊开为一维数组
    #  7*7*512这个参数，源自于单图特征抓取实验后显示的结果
    return x_vgg
# 调用即可

Step 2. 训练数据集导入与特征抓取

features = []
label = []
num = int(input("从训练集提取多少张图片进行训练？（1.2w以内整数）"))
#猫图特征抓取
for i in range(0,num):
    img_path = './文件夹/cat.'+str(i)+'.jpg'
    res = feature_catch(img_path,model_vgg)
    res = res.reshape(7*7*512)
    features.append(res)
    label.append('cat')
#狗图特征抓取
for i in range(0,num):
    img_path = './文件夹/dog.'+str(i)+'.jpg'
    res = feature_catch(img_path,model_vgg)
    res = res.reshape(7*7*512)
    features.append(res)
    label.append('dog')
print('-----------Feature-Catch finished--------------')

Step 3. 数据分离
Step 4. MLP模型建立
Step 5. MLP模型训练
Step 6. 预测与评估
step3 ~ step6 与前文提到的MLP算法一致。

小结
即：从逻辑上来说，VGG算法的作用就是，把图像信息中重要的特征进行了抓取，每张图片的特征信息最终都被转换为一维数组的形式。
设特征信息的像素有n个点，
则问题转换为：n维数据与标签的分类问题
因此后续直接使用MLP求解即可。

补：单图预测的代码

from keras.utils import image_utils
from matplotlib import pyplot as plt
#图片导入
img_path = '1.jpg'
img = image_utils.load_img( 
    img_path,
    target_size=(224,224)
)
plt.imshow(img)
plt.show()
img = image_utils.img_to_array(img)
type(img)
# 图片特征抓取
from keras.applications.vgg16 import VGG16
from keras.applications.vgg16 import preprocess_input
import numpy as np
#格式转换
x = np.expand_dims(img,axis=0) #x是 增加一个维度后的img
x = preprocess_input(x) 
print(x.shape)
#特征提取
features = model_vgg.predict(x)
print('features.shape',features.shape)
#flatten，摊开成一维数组
features = features.reshape(1,7*7*512)
#prediction
result = model.predict(features)
result=np.argmax(result,axis=1)
print(result,end=":")
if(result[0]==1):
    print("This is a dog!")