Google Tensorflow 迁移学习 Inception-v3

附上代码加数据地址 https://github.com/Liuyubao/transfer-learning ，欢迎参考。

一、Inception-V3模型

1.1 详细了解模型可参考以下论文：

[v1] Going Deeper with Convolutions, 6.67% test error
http://arxiv.org/abs/1409.4842
[v2] Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift, 4.8% test error
http://arxiv.org/abs/1502.03167
[v3] Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision, 3.5% test error
http://arxiv.org/abs/1512.00567
[v4] Inception-v4, Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning, 3.08% test error
http://arxiv.org/abs/1602.07261

1.2 CNN结构演化及Inception-V3简介

v3一个最重要的改进是分解（Factorization），将7x7分解成两个一维的卷积（1x7,7x1），3x3也是一样（1x3,3x1），这样的好处，既可以加速计算（多余的计算能力可以用来加深网络），又可以将1个conv拆成2个conv，使得网络深度进一步增加，增加了网络的非线性，还有值得注意的地方是网络输入从224x224变为了299x299，更加精细设计了35x35/17x17/8x8的模块。

二、迁移学习

2.1 What is transfer learning？

在深度学习中，所谓的迁移学习是将一个问题A上训练好的模型通过简单的调整使其适应一个新的问题B。在实际使用中，往往是完成问题A的训练出的模型有更完善的数据，而问题B的数据量偏小。而调整的过程根据现实情况决定，可以选择保留前几层卷积层的权重，以保留低级特征的提取；也可以保留全部的模型，只根据新的任务改变其fc层。

2.2 What can transfer learning do?

那么对于不同的任务，为什么不同的模型间可以做迁移呢？上面提到了，被迁移的模型往往是使用大量样本训练出来的，比如Google提供的Inception V3网络模型使用ImageNet数据集训练，而ImageNet中有120万标注图片，然后在实际应用中，很难收集到如此多的样本数据。而且收集的过程需要消耗大量的人力无力（其实深度学习解决实际问题时，最好费时间的往往不是训练的过程，而是数据标记的过程），所以一般情况下来说，问题B的数据量是较少的。

所以，同样一个模型在使用大样本很好的解决了问题A，那么有理由相信该模型中训练处的权重参数能够能够很好的完成特征提取任务（最起码前几层是这样），所以既然已经有了这样一个模型，那就拿过来用吧。

所以迁移学习具有如下优势：

• 更短的训练时间
• 更快的收敛速度
• 更精准的权重参数。

但是一般情况下如果任务B的数据量是足够的，那么迁移来的模型效果会不如训练的到，但是此时起码可以将底层的权重参数作为初始值来重新训练。

2.3 代码实现 Tensorflow 对 Inception-V3 进行迁移

（1）前期数据、模型准备

谷歌提供的训练好的Inception-v3模型：
https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/models/inception_dec_2015.zip

解压后有两个文件，使用的是 .pb 文件

案例使用的数据集：
http://download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz

数据集文件解压后，包含5个子文件夹，子文件夹的名称为花的名称，代表了不同的类别。平均每一种花有734张图片，图片是RGB色彩模式，大小也不相同。

（2）导入相关工具包

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on May 31 2018

@author: 柳玉豹

"""

import glob
import os.path
import random
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.python.platform import gfile

（3）模型和样本路径的设置

#模型和样本路径的设置
#inception-V3瓶颈层节点个数
BOTTLENECK_TENSOR_SIZE = 2048
#瓶颈层tensor name
BOTTLENECK_TENSOR_NAME = 'pool_3/_reshape:0'
#图像输入tensor name
JPEG_DATA_TENSOR_NAME = 'DecodeJpeg/contents:0'

# v3 模型的路径
MODEL_DIR = './datasets/inception_dec_2015'
# v3 模型文件名
MODEL_FILE= 'tensorflow_inception_graph.pb'

#特征向量 save path（一个训练数据会被多次使用，免去重复计算特征向量）
CACHE_DIR = './datasets/bottleneck'
#数据path（每个子文件夹中存放同一类别的图片）
INPUT_DATA = './datasets/flower_photos'

#验证数据 percentage
VALIDATION_PERCENTAGE = 10
#测试数据 percentage
TEST_PERCENTAGE = 10

#神经网络参数的设置
LEARNING_RATE = 0.01
STEPS = 4000
BATCH = 100

（4）把样本中所有的图片列表并按训练、验证、测试数据分开

#把样本中所有的图片列表并按训练、验证、测试数据分开
def create_image_lists(testing_percentage, validation_percentage):
    # key为类别，value为字典（存储了所有图片名称）
    result = {}
    # 获取当前文件夹之下所有子目录
    sub_dirs = [x[0] for x in os.walk(INPUT_DATA)]
    # 得到的第一个目录是当前子目录，不需要考虑
    is_root_dir = True
    for sub_dir in sub_dirs:
        if is_root_dir:
            is_root_dir = False
            continue

        # 获取当前目录下所有的有效图片文件
        extensions = ['jpg', 'jpeg', 'JPG', 'JPEG']
        file_list = []
        dir_name = os.path.basename(sub_dir)
        for extension in extensions:
            file_glob = os.path.join(INPUT_DATA, dir_name, '*.' + extension)
            file_list.extend(glob.glob(file_glob))
        if not file_list: continue

        # 通过目录名获取类别名
        label_name = dir_name.lower()

        # 初始化
        training_images = []
        testing_images = []
        validation_images = []
        for file_name in file_list:
            base_name = os.path.basename(file_name)

            # 随机划分数据
            chance = np.random.randint(100)
            if chance < validation_percentage:
                validation_images.append(base_name)
            elif chance < (testing_percentage + validation_percentage):
                testing_images.append(base_name)
            else:
                training_images.append(base_name)

        result[label_name] = {
            'dir': dir_name,
            'training': training_images,
            'testing': testing_images,
            'validation': validation_images,
            }
    return result

#函数通过类别名称、所属数据集和图片编号获取一张图片的地址
# image_lists：所有图片信息
# image_dir：根目录
# label_name：类别名称
# index：图片编号
# category：该图片属于训练集、测试集or验证集
def get_image_path(image_lists, image_dir, label_name, index, category):
    # 获取给定类别中所有图片的信息
    label_lists = image_lists[label_name]
    # 根据数据集类别获取全部图片信息
    category_list = label_lists[category]
    mod_index = index % len(category_list)
    # 获取图片路径
    base_name = category_list[mod_index]
    sub_dir = label_lists['dir']
    full_path = os.path.join(image_dir, sub_dir, base_name)
    return full_path

#函数获取Inception-v3模型处理之后的特征向量的文件地址
def get_bottleneck_path(image_lists, label_name, index, category):
    return get_image_path(image_lists, CACHE_DIR, label_name, index, category) + '.txt'

#函数使用加载的训练好的Inception-v3模型处理一张图片，得到这个图片的特征向量。
def run_bottleneck_on_image(sess, image_data, image_data_tensor, bottleneck_tensor):
    bottleneck_values = sess.run(bottleneck_tensor, {image_data_tensor: image_data})
    # 上行代码卷积网络处理结果是一个四维数组，下行代码将结果压缩成一个特征
    bottleneck_values = np.squeeze(bottleneck_values)
    return bottleneck_values

#函数会先试图寻找已经计算且保存下来的特征向量，如果找不到则先计算这个特征向量，然后保存到文件
def get_or_create_bottleneck(sess, image_lists, label_name, index, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor):
    # 获取一张图片对应的特征向量文件路径
    label_lists = image_lists[label_name]
    sub_dir = label_lists['dir']
    sub_dir_path = os.path.join(CACHE_DIR, sub_dir)
    if not os.path.exists(sub_dir_path): 
        os.makedirs(sub_dir_path)
    bottleneck_path = get_bottleneck_path(image_lists, label_name, index, category)
    # 如果特征向量文件不存在，通过Incep-V3计算之后存入结果
    if not os.path.exists(bottleneck_path):
        image_path = get_image_path(image_lists, INPUT_DATA, label_name, index, category)
        image_data = gfile.FastGFile(image_path, 'rb').read()
        bottleneck_values = run_bottleneck_on_image(sess, image_data, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)

        bottleneck_string = ','.join(str(x) for x in bottleneck_values)
        with open(bottleneck_path, 'w') as bottleneck_file:
            bottleneck_file.write(bottleneck_string)
    else:
        # 直接从文件获取对应特征向量
        with open(bottleneck_path, 'r') as bottleneck_file:
            bottleneck_string = bottleneck_file.read()
        bottleneck_values = [float(x) for x in bottleneck_string.split(',')]

    return bottleneck_values

# 函数随机获取一个batch的图片作为训练数据
# how_many：一个batch图片的数量
def get_random_cached_bottlenecks(sess, n_classes, image_lists, how_many, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor):
    bottlenecks = []
    ground_truths = []
    for _ in range(how_many):
        label_index = random.randrange(n_classes)
        label_name = list(image_lists.keys())[label_index]
        image_index = random.randrange(65536)
        bottleneck = get_or_create_bottleneck(
            sess, image_lists, label_name, image_index, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)
        ground_truth = np.zeros(n_classes, dtype=np.float32)
        ground_truth[label_index] = 1.0
        bottlenecks.append(bottleneck)
        ground_truths.append(ground_truth)

    return bottlenecks, ground_truths

#获取全部的测试数据，并计算正确率
def get_test_bottlenecks(sess, image_lists, n_classes, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor):
    bottlenecks = []
    ground_truths = []
    label_name_list = list(image_lists.keys())
    # 枚举所有类别和每个类别中的测试图片
    for label_index, label_name in enumerate(label_name_list):
        category = 'testing'
        for index, unused_base_name in enumerate(image_lists[label_name][category]):
            bottleneck = get_or_create_bottleneck(sess, image_lists, label_name, index, category,jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)
            ground_truth = np.zeros(n_classes, dtype=np.float32)
            ground_truth[label_index] = 1.0
            bottlenecks.append(bottleneck)
            ground_truths.append(ground_truth)
    return bottlenecks, ground_truths

def main():
    # 读取所有图片
    image_lists = create_image_lists(TEST_PERCENTAGE, VALIDATION_PERCENTAGE)
    n_classes = len(image_lists.keys())

    # 读取已经训练好的Inception-v3模型。
    with gfile.FastGFile(os.path.join(MODEL_DIR, MODEL_FILE), 'rb') as f:
        graph_def = tf.GraphDef()
        graph_def.ParseFromString(f.read())
    # 加载Incep-V3模型，并返回数据输入所对应的tensor及计算瓶颈层结果的tensor
    bottleneck_tensor, jpeg_data_tensor = tf.import_graph_def(
        graph_def, return_elements=[BOTTLENECK_TENSOR_NAME, JPEG_DATA_TENSOR_NAME])

    # 定义新的神经网络输入，即图片经过Incep-V3之后的节点取值
    bottleneck_input = tf.placeholder(tf.float32, [None, BOTTLENECK_TENSOR_SIZE], name='BottleneckInputPlaceholder')

    # 定义新的标准答案的输入
    ground_truth_input = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_classes], name='GroundTruthInput')

    # 定义一层新的全链接层
    with tf.name_scope('final_training_ops'):
        weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([BOTTLENECK_TENSOR_SIZE, n_classes], stddev=0.001))
        biases = tf.Variable(tf.zeros([n_classes]))
        logits = tf.matmul(bottleneck_input, weights) + biases
        final_tensor = tf.nn.softmax(logits)

    # 定义交叉熵损失函数。
    cross_entropy = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logits, labels=ground_truth_input)
    cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(LEARNING_RATE).minimize(cross_entropy_mean)

    # 计算正确率。
    with tf.name_scope('evaluation'):
        correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(final_tensor, 1), tf.argmax(ground_truth_input, 1))
        evaluation_step = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

    with tf.Session() as sess:
        init = tf.global_variables_initializer()
        sess.run(init)
        # 训练过程。
        for i in range(STEPS):
            # 每次获取一个batch的训练数据
            train_bottlenecks, train_ground_truth = get_random_cached_bottlenecks(
                sess, n_classes, image_lists, BATCH, 'training', jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)
            sess.run(train_step, feed_dict={bottleneck_input: train_bottlenecks, ground_truth_input: train_ground_truth})

            if i % 100 == 0 or i + 1 == STEPS:
                validation_bottlenecks, validation_ground_truth = get_random_cached_bottlenecks(
                    sess, n_classes, image_lists, BATCH, 'validation', jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)
                validation_accuracy = sess.run(evaluation_step, feed_dict={
                    bottleneck_input: validation_bottlenecks, ground_truth_input: validation_ground_truth})
                print('Step %d: Validation accuracy on random sampled %d examples = %.1f%%' %
                    (i, BATCH, validation_accuracy * 100))

        # 在最后的测试数据上测试正确率。
        test_bottlenecks, test_ground_truth = get_test_bottlenecks(
            sess, image_lists, n_classes, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)
        test_accuracy = sess.run(evaluation_step, feed_dict={
            bottleneck_input: test_bottlenecks, ground_truth_input: test_ground_truth})
        print('Final test accuracy = %.1f%%' % (test_accuracy * 100))

if __name__ == '__main__':
    main()

2.4 结果展示

使用阿里云GPU 英伟达 Tesla P4 进行训练，耗时3分钟，准确率89.1%。

附上代码加数据地址 https://github.com/Liuyubao/transfer-learning ，如有疑问，欢迎联系笔者，微信：523331232 ！