机器学习笔记(十五):TensorFlow实战七(经典卷积神经网络:VGG)

1 - 引言

之前我们介绍了LeNet-5和AlexNet,在AlexNet发明之后,卷积神经网络的层数开始越来越复杂,VGG-16就是一个相对前面2个经典卷积神经网络模型层数明显更多了。

VGGNet是牛津大学计算机视觉组(Visual Geometry Group)和Google DeepMind公司的研究员一起研发的深度卷积神经网络。

VGGNet探索了卷积神经网络的深度与其性能之间的关系,通过反复堆叠33的小型卷积核和22的最大池化层,

VGGNet成功地构筑了16~19层深的卷积神经网络。VGGNet相比之前state-of-the-art的网络结构,错误率大幅下降,

VGGNet论文中全部使用了 3 ∗ 3 3*3 33的小型卷积核和 2 ∗ 2 2*2 22的最大池化核,通过不断加深网络结构来提升性能。

VGG最大的优点或者说是创新之处在于:
VGGNet通过反复堆叠3x3的小型卷积核和2x2的最大池化层,构筑了16~19层深的神经网络。在错误率大大降低的同时扩展性很强,迁移到其它图片数据上的泛化能力很好,而且结构简单。

VGGNet拥有从A到E的五个级别,每一级网络都比前一级根深,但是参数并没有增加很多,因为卷积部分消耗参量不大,主要在全连接层。D和E就是常说的VGGNet-16和VGGNet-19。

VGGNet拥有5段卷积,每一段卷积内有2~3个卷积层,同时每段尾部都会连接一个最大池化层用来缩小图片尺寸,5段卷积后有3个全连接层,然后通过softmax()来预测结果。

是一种虽然结构搭建简单却性能十分优异的卷积网络模型。

2 - VGG结构

机器学习笔记(十五):TensorFlow实战七(经典卷积神经网络:VGG)_第1张图片

训练输入为224224大小的RGB图像,需要减去图像均值。用一堆 3 ∗ 3 , 1 ∗ 1 3*3,1*1 33,11小卷积核进行卷积,连接max pooling。最后,连接3个全连接层,softmax分类器。
机器学习笔记(十五):TensorFlow实战七(经典卷积神经网络:VGG)_第2张图片
模型A-E:只增加深度,其他不变(增加3
3卷积核)
机器学习笔记(十五):TensorFlow实战七(经典卷积神经网络:VGG)_第3张图片
在吴恩达课程中,详细的介绍了VGG-16的模型结构:
机器学习笔记(十五):TensorFlow实战七(经典卷积神经网络:VGG)_第4张图片

输入是224x224x3的图像,下面是每一层的大小:
conv1_1 [32, 224, 224, 64]
conv1_2 [32, 224, 224, 64]
pool1 [32, 112, 112, 64]
conv2_1 [32, 112, 112, 128]
conv2_2 [32, 112, 112, 128]
pool2 [32, 56, 56, 128]
conv3_1 [32, 56, 56, 256]
conv3_2 [32, 56, 56, 256]
conv3_3 [32, 56, 56, 256]
pool3 [32, 28, 28, 256]
conv4_1 [32, 28, 28, 512]
conv4_2 [32, 28, 28, 512]
conv4_3 [32, 28, 28, 512]
pool4 [32, 14, 14, 512]
conv5_1 [32, 14, 14, 512]
conv5_2 [32, 14, 14, 512]
conv5_3 [32, 14, 14, 512]
pool5 [32, 7, 7, 512]
fc6 [32, 4096]
fc7 [32, 4096]
fc8 [32, 1000]

3 - TensorFlow搭建VGG-16模型:

# _*_ coding:utf-8 _*_

import math
import time
import tensorflow as tf
from datetime import datetime

batch_size = 32
num_batches = 100

# 卷积层
'''
    input_op输入的tensor
    kh, kw是卷积核的高和宽
    dh, w是步长到的高和宽
    p参数列表
'''
def conv_op(input_op, name, kh, kw, n_out, dh, dw, p):
    n_in = input_op.get_shape()[-1].value

    with tf.name_scope(name) as scope:
        kernel = tf.get_variable(scope+'w',
                                 shape=[kh, kw, n_in, n_out], dtype=tf.float32,
                                 initializer=tf.contrib.layers.xavier_initializer_conv2d())
        conv = tf.nn.conv2d(input_op, kernel, strides=[1, dh, dw, 1], padding='SAME')
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[n_out], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases')
        z = tf.nn.bias_add(conv, biases)
        activation = tf.nn.relu(z, name=scope)
        p += [kernel, biases]

    return activation

# 全连接层
def fc_op(input_op, name, n_out, p):
    n_in = input_op.get_shape()[-1].value

    with tf.name_scope(name) as scope:
        kernel = tf.get_variable(scope+'w',
                                 shape=[n_in, n_out], dtype=tf.float32,
                                 initializer=tf.contrib.layers.xavier_initializer())
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[n_out], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases')
        activation = tf.nn.relu_layer(input_op, kernel, biases, name=scope)
        p += [kernel, biases]

    return activation

# 最大池化层
def mpool_op(input_op, name, kh, kw, dh, dw):
    return tf.nn.max_pool(input_op,
                          ksize=[1, kh, kw, 1],
                          strides=[1, dh, dw, 1],
                          padding='SAME',
                          name=name)

# 网络结构
def inference_op(input_op, keep_prob):
    parameters = []

    # 第一段卷积网络
    conv1_1 = conv_op(input_op, name='conv1_1', kh=3, kw=3, n_out=64, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv1_2 = conv_op(conv1_1, name='conv1_2', kh=3, kw=3, n_out=64, dh=1, dw=1, p=parameters)
    pool1 = mpool_op(conv1_2, name='pool1', kh=2, kw=2, dw=2, dh=2)

    # 第二段卷积网络
    conv2_1 = conv_op(pool1, name='conv2_1', kh=3, kw=3, n_out=128, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv2_2 = conv_op(conv2_1, name='conv2_2', kh=3, kw=3, n_out=128, dh=1, dw=1, p=parameters)
    pool2 = mpool_op(conv2_2, name='pool2', kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # 第三段卷积网络
    conv3_1 = conv_op(pool2, name='conv3_1', kh=3, kw=3, n_out=256, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv3_2 = conv_op(conv3_1, name='conv3_2', kh=3, kw=3, n_out=256, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv3_3 = conv_op(conv3_2, name='conv3_3', kh=3, kw=3, n_out=256, dh=1, dw=1, p=parameters)
    pool3 = mpool_op(conv3_3, name='pool3', kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # 第四段卷积网络
    conv4_1 = conv_op(pool3, name='conv4_1', kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv4_2 = conv_op(conv4_1, name='conv4_2', kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv4_3 = conv_op(conv4_2, name='conv4_3', kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=parameters)
    pool4 = mpool_op(conv4_3, name='pool4', kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # 第五段卷积网络
    conv5_1 = conv_op(pool4, name='conv5_1', kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv5_2 = conv_op(conv5_1, name='conv5_1', kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=parameters)
    conv5_3 = conv_op(conv5_2, name='conv5_3', kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=parameters)
    pool5 = mpool_op(conv5_3, name='conv5_3', kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # 扁平化
    shp = pool5.get_shape()
    flattened_shape = shp[1].value * shp[2].value * shp[3].value
    resh1 = tf.reshape(pool5, [-1, flattened_shape], name='resh1')

    # 全连接层
    fc6 = fc_op(resh1, name='fc6', n_out=4096, p=parameters)
    fc6_drop = tf.nn.dropout(fc6, keep_prob, name='fc6_drop')
    fc7 = fc_op(fc6_drop, name='fc7', n_out=4096, p=parameters)
    fc7_drop = tf.nn.dropout(fc7, keep_prob, name='fc7_drop')
    fc8 = fc_op(fc7_drop, name='fc8', n_out=1000, p=parameters)
    softmax = tf.nn.softmax(fc8)
    predictions = tf.argmax(softmax, 1)

    return predictions, softmax, fc8, parameters

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