卷积神经网络用于人脸关键点识别 节选自:http://blog.csdn.net/thriving_fcl/article/details/50909109 Tensorflow的tutorial里面有介绍用CNN(卷积神经网络)来识别手写数字,直接把那里的代码copy下来跑一遍也是可以的。但是那比较没有意思,kaggle上有一个人脸关键点识别的比赛,有数据集也比较有意思,就拿这个来练手了。 定义卷积神经网络 首先是定义网络结构,在这个例子里我用了3个卷积层,第一个卷积层用3∗3的卷积核,后面两个用2∗2的卷积核。每个卷积层后面都跟max_pool池化层,之后再跟3个全连接层(两个隐层一个输出层)。每个卷积层的feature_map分别用32、64、128。 产生权值的函数代码如下
- #根据给定的shape定义并初始化卷积核的权值变量
- def weight_variable(shape):
- initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)
- return tf.Variable(initial)
-
- #根据shape初始化bias变量
- def bias_variable(shape):
- initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
- return tf.Variable(initial)
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定义卷积运算的代码如下。对tf.nn.con2d()的参数还是要说明一下 1. x是输入的样本,在这里就是图像。x的shape=[batch, height, width, channels]。 - batch是输入样本的数量 - height, width是每张图像的高和宽 - channels是输入的通道,比如初始输入的图像是灰度图,那么channels=1,如果是rgb,那么channels=3。对于第二层卷积层,channels=32。 2. W表示卷积核的参数,shape的含义是[height,width,in_channels,out_channels]。 3. strides参数表示的是卷积核在输入x的各个维度下移动的步长。了解CNN的都知道,在宽和高方向stride的大小决定了卷积后图像的size。这里为什么有4个维度呢?因为strides对应的是输入x的维度,所以strides第一个参数表示在batch方向移动的步长,第四个参数表示在channels上移动的步长,这两个参数都设置为1就好。重点就是第二个,第三个参数的意义,也就是在height于width方向上的步长,这里也都设置为1。 4. padding参数用来控制图片的边距,’SAME’表示卷积后的图片与原图片大小相同,’VALID’的话卷积以后图像的高为Heightout=Height原图−Height卷积核+1StrideHeight, 宽也同理。
- def conv2d(x,W):
- return tf.nn.cov2d(x,W,strides=[1,1,1,1],padding='VALID')
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接着是定义池化层的代码,这里用2∗2的max_pool。参数ksize定义pool窗口的大小,每个维度的意义与之前的strides相同,所以实际上我们设置第二个,第三个维度就可以了。
- def max_pool_2x2(x):
- return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1],strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
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定义好产生权重、卷积、池化的函数以后就要开始组装这个卷积神经网络了。定义之前再定义一下输入样本x与对应的目标值y_。这里用了tf.placeholder表示此时的x与y_是指定shape的站位符,之后在定义网络结构的时候并不需要真的输入了具体的样本,只要在求值的时候feed进去就可以了。激活函数用relu,api也就是tf.nn.relu。 keep_prob是最后dropout的参数,dropout的目的是为了抗过拟合。 rmse是损失函数,因为这里的目的是为了检测人脸关键点的位置,是回归问题,所以用root-mean-square-error。并且最后的输出层不需要套softmax,直接输出y值就可以了。 这样就组装好了一个卷积神经网络。后续的步骤就是根据输入样本来train这些参数啦。
- x = tf.placeholder("float", shape=[None, 96, 96, 1])
- y_ = tf.placeholder("float", shape=[None, 30])
- keep_prob = tf.placeholder("float")
-
- def model():
- W_conv1 = weight_variable([3, 3, 1, 32])
- b_conv1 = bias_variable([32])
-
- h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(x, W_conv1) + b_conv1)
- h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)
-
- W_conv2 = weight_variable([2, 2, 32, 64])
- b_conv2 = bias_variable([64])
-
- h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1, W_conv2) + b_conv2)
- h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)
-
- W_conv3 = weight_variable([2, 2, 64, 128])
- b_conv3 = bias_variable([128])
-
- h_conv3 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool2, W_conv3) + b_conv3)
- h_pool3 = max_pool_2x2(h_conv3)
-
- W_fc1 = weight_variable([11 * 11 * 128, 500])
- b_fc1 = bias_variable([500])
-
- h_pool3_flat = tf.reshape(h_pool3, [-1, 11 * 11 * 128])
- h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool3_flat, W_fc1) + b_fc1)
-
- W_fc2 = weight_variable([500, 500])
- b_fc2 = bias_variable([500])
-
- h_fc2 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_fc1, W_fc2) + b_fc2)
- h_fc2_drop = tf.nn.dropout(h_fc2, keep_prob)
-
- W_fc3 = weight_variable([500, 30])
- b_fc3 = bias_variable([30])
-
- y_conv = tf.matmul(h_fc2_drop, W_fc3) + b_fc3
- rmse = tf.sqrt(tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y_conv)))
- return y_conv, rmse
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训练卷积神经网络读取训练数据 定义好卷积神经网络的结构之后,就要开始训练。训练首先是要读取训练样本。下面的代码用于读取样本。
- import pandas as pd
- import numpy as np
-
- TRAIN_FILE = 'training.csv'
- TEST_FILE = 'test.csv'
- SAVE_PATH = 'model'
-
-
- VALIDATION_SIZE = 100 #验证集大小
- EPOCHS = 100 #迭代次数
- BATCH_SIZE = 64 #每个batch大小,稍微大一点的batch会更稳定
- EARLY_STOP_PATIENCE = 10 #控制early stopping的参数
-
-
- def input_data(test=False):
- file_name = TEST_FILE if test else TRAIN_FILE
- df = pd.read_csv(file_name)
- cols = df.columns[:-1]
-
- #dropna()是丢弃有缺失数据的样本,这样最后7000多个样本只剩2140个可用的。
- df = df.dropna()
- df['Image'] = df['Image'].apply(lambda img: np.fromstring(img, sep=' ') / 255.0)
-
- X = np.vstack(df['Image'])
- X = X.reshape((-1,96,96,1))
-
- if test:
- y = None
- else:
- y = df[cols].values / 96.0 #将y值缩放到[0,1]区间
-
- return X, y
-
- #最后生成提交结果的时候要用到
- keypoint_index = {
- 'left_eye_center_x':0,
- 'left_eye_center_y':1,
- 'right_eye_center_x':2,
- 'right_eye_center_y':3,
- 'left_eye_inner_corner_x':4,
- 'left_eye_inner_corner_y':5,
- 'left_eye_outer_corner_x':6,
- 'left_eye_outer_corner_y':7,
- 'right_eye_inner_corner_x':8,
- 'right_eye_inner_corner_y':9,
- 'right_eye_outer_corner_x':10,
- 'right_eye_outer_corner_y':11,
- 'left_eyebrow_inner_end_x':12,
- 'left_eyebrow_inner_end_y':13,
- 'left_eyebrow_outer_end_x':14,
- 'left_eyebrow_outer_end_y':15,
- 'right_eyebrow_inner_end_x':16,
- 'right_eyebrow_inner_end_y':17,
- 'right_eyebrow_outer_end_x':18,
- 'right_eyebrow_outer_end_y':19,
- 'nose_tip_x':20,
- 'nose_tip_y':21,
- 'mouth_left_corner_x':22,
- 'mouth_left_corner_y':23,
- 'mouth_right_corner_x':24,
- 'mouth_right_corner_y':25,
- 'mouth_center_top_lip_x':26,
- 'mouth_center_top_lip_y':27,
- 'mouth_center_bottom_lip_x':28,
- 'mouth_center_bottom_lip_y':29
- }
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开始训练 执行训练的代码如下,save_model用于保存当前训练得到在验证集上loss最小的模型,方便以后直接拿来用。 tf.InteractiveSession()用来生成一个Session,(好像是废话…)。Session相当于一个引擎,TensorFlow框架要真正的进行计算,都要通过Session引擎来启动。 tf.train.AdamOptimizer是优化的算法,Adam的收敛速度会比较快,1e-3是learning rate,这里先简单的用固定的。minimize就是要最小化的目标,当然是最小化均方根误差了。
- def save_model(saver,sess,save_path):
- path = saver.save(sess, save_path)
- print 'model save in :{0}'.format(path)
-
- if __name__ == '__main__':
- sess = tf.InteractiveSession()
- y_conv, rmse = model()
- train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-3).minimize(rmse)
-
- #变量都要初始化
- sess.run(tf.initialize_all_variables())
- X,y = input_data()
- X_valid, y_valid = X[:VALIDATION_SIZE], y[:VALIDATION_SIZE]
- X_train, y_train = X[VALIDATION_SIZE:], y[VALIDATION_SIZE:]
-
- best_validation_loss = 1000000.0
- current_epoch = 0
- TRAIN_SIZE = X_train.shape[0]
- train_index = range(TRAIN_SIZE)
- random.shuffle(train_index)
- X_train, y_train = X_train[train_index], y_train[train_index]
-
- saver = tf.train.Saver()
-
- print 'begin training..., train dataset size:{0}'.format(TRAIN_SIZE)
- for i in xrange(EPOCHS):
- random.shuffle(train_index) #每个epoch都shuffle一下效果更好
- X_train, y_train = X_train[train_index], y_train[train_index]
-
- for j in xrange(0,TRAIN_SIZE,BATCH_SIZE):
- print 'epoch {0}, train {1} samples done...'.format(i,j)
-
- train_step.run(feed_dict={x:X_train[j:j+BATCH_SIZE],
- y_:y_train[j:j+BATCH_SIZE], keep_prob:0.5})
-
- #电脑太渣,用所有训练样本计算train_loss居然死机,只好注释了。
- #train_loss = rmse.eval(feed_dict={x:X_train, y_:y_train, keep_prob: 1.0})
- validation_loss = rmse.eval(feed_dict={x:X_valid, y_:y_valid, keep_prob: 1.0})
-
- print 'epoch {0} done! validation loss:{1}'.format(i, validation_loss*96.0)
- if validation_loss < best_validation_loss:
- best_validation_loss = validation_loss
- current_epoch = i
- save_model(saver,sess,SAVE_PATH) #即时保存较好的结果
- elif (i - current_epoch) >= EARLY_STOP_PATIENCE:
- print 'early stopping'
- break
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在测试集上预测 下面的代码用于预测test.csv里面的人脸关键点,最后的y值要乘以96,因为之前缩放到[0,1]区间了。
- X,y = input_data(test=True)
- y_pred = []
-
- TEST_SIZE = X.shape[0]
- for j in xrange(0,TEST_SIZE,BATCH_SIZE):
- y_batch = y_conv.eval(feed_dict={x:X[j:j+BATCH_SIZE], keep_prob:1.0})
- y_pred.extend(y_batch)
-
- print 'predict test image done!'
-
- output_file = open('submit.csv','w')
- output_file.write('RowId,Location\n')
-
- IdLookupTable = open('IdLookupTable.csv')
- IdLookupTable.readline()
-
- for line in IdLookupTable:
- RowId,ImageId,FeatureName = line.rstrip().split(',')
- image_index = int(ImageId) - 1
- feature_index = keypoint_index[FeatureName]
- feature_location = y_pred[image_index][feature_index] * 96
- output_file.write('{0},{1}\n'.format(RowId,feature_location))
-
- output_file.close()
- IdLookupTable.close()
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结果 用这个结构的卷积神经网络训练出来的模型,在测试集上预测的结果提交以后的成绩是3.4144,在kaggle的leaderboard上是41名,初试CNN,感觉还可以了。这只是数据,还是找一些现实的照片来试试这个模型如何,所以我找了一张anglababy的,标识出来的关键点感觉还算靠谱。基于TensorFlow的卷积神经网络先写到这了,有什么遗漏的想起来再补充,之后对深度学习更了解了,再写写CNN的原理,bp的推导过程之类的。
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