迁移学习--Inception-v3

一、准备工作

1、python glob module：

 

python文件操作相关模块库——glob

用途：查找符合目的文件

通配符：支持。*,?,[]这三个通配符，*代表0个或多个字符，?代表一个字符，[]匹配指定范围内的字符，如[0-9]匹配数字。

 

最重要的方法是glob.glob(参数：指定匹配的路径字符串),返回当前目录里的所有匹配的文件路径列表（不包括子文件夹里的文件）

 

ddir=u'C:\\Users\\Public\\Videos\\Sample Videos'

glob.glob(dir+'\\*.txt')
获得指定目录下的所有txt文件

 

2、os.path module

 

 os和os.path模块
os.listdir(dirname)：列出dirname下的目录和文件
os.getcwd()：获得当前工作目录
os.curdir:返回但前目录（'.')
os.chdir(dirname):改变工作目录到dirname
os.path.isdir(name):判断name是不是一个目录，name不是目录就返回false
os.path.isfile(name):判断name是不是一个文件，不存在name也返回false
os.path.exists(name):判断是否存在文件或目录name
os.path.getsize(name):获得文件大小，如果name是目录返回0L
os.path.abspath(name):获得绝对路径
os.path.normpath(path):规范path字符串形式
os.path.split(name):分割文件名与目录（事实上，如果你完全使用目录，它也会将最后一个目录作为文件名而分离，同时它不会判断文件或目录是否存在）
os.path.splitext():分离文件名与扩展名
os.path.join(path,name):连接目录与文件名或目录
os.path.basename(path):返回文件名
os.path.dirname(path):返回文件路径

二.迁移学习代码实现

以下为Tensorflow迁移学习，使用Google提供的Inception-v3模型来迁移学习花朵的分类问题。保留瓶颈层及其训练好的参数不变，只改变最后的全连接层，使得训练的所需的数据大大地减少而且使得模型训练的时间大大地缩短了。以下为实现代码：

训练的花朵数据可以点击这里下载

Inception-v3模型可以点击这里下载

 

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

#1.模型和样本路径的设置

#Inception-v3瓶颈层的节点个数
BOTTLENECK_TENSOR_SIZE = 2048
BOTTLENECK_TENSOR_NAME = 'pool_3/_reshape:0'
JPEG_DATA_TENSOR_NAME = 'DecodeJpeg/contents:0'


MODEL_DIR = 'C:/Users/Jet Zhang/Desktop/Tensorflow实战/6.5.2迁移学习/inception_dec_2015'
MODEL_FILE= 'tensorflow_inception_graph.pb'

CACHE_DIR = 'C:/Users/Jet Zhang/Desktop/Tensorflow实战/6.5.2迁移学习/tmp/bottleneck'
INPUT_DATA = 'C:/Users/Jet Zhang/Desktop/Tensorflow实战/6.5.2迁移学习/flower_photos/flower_photos'

#验证数据所占的百分比
VALIDATION_PERCENTAGE = 10
#测试数据所占的百分比
TEST_PERCENTAGE = 10

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


#3.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):

	#得到的所有图片都放在result这个字典里面，key为类别名称，
	#value也是一个字典，里面存放了所有图片的名称
    result = {}
    #获取当前目录下的所有子目录
    sub_dirs = [x[0] for x in os.walk(INPUT_DATA)]
    #得到的第一个目录是当前目录不用考虑
    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有效的图片文件
        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

        #通过目录名称获取类别名称
        label_name = dir_name.lower()
        
        # 初始化当前的训练数据集、验证数据集和测试数据集
        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)
            #chance为0-100之间的整数
            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)
        #将当前类别的数据放进结果字典
        result[label_name] = {
            'dir': dir_name,
            'training': training_images,
            'testing': testing_images,
            'validation': validation_images,
            }
    #返回整理好的所有数据
    return result


#4.定义函数：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：所有图片的信息
#image_dir：根目录，存放图片数据的根目录以及存放图片特征向量的根目录地址不同
#label_name：类别的名称
#index：需要获取的图片的编号
#category：指定了需要获取的图片是在训练集，验证集还是测试集
def get_image_path(image_lists, image_dir, label_name, index, category):
    label_lists = image_lists[label_name]
    category_list = label_lists[category]
    mod_index = index % len(category_list)
    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

#5. 定义函数通过类别名称、所属数据集和图片编号获取Inception-v3模型处理之后的特征向量文件地址。
def get_bottleneck_path(image_lists, label_name, index, category):
    return get_image_path(image_lists, CACHE_DIR, label_name, index, category) + '.txt'

#6. 定义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):
	#将图片作为输入计算瓶颈张量的值，这个瓶颈张量的值就是这张图的新的特征向量
    bottleneck_values = sess.run(bottleneck_tensor, {image_data_tensor: image_data})
    #经过卷积神经网络的处理后得到一个四维的矩阵，需要将这一结果压缩为一个特征向量（一维数组）
    bottleneck_values = np.squeeze(bottleneck_values)
    return bottleneck_values

#7. 定义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):
    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)
    #如果这个特征向量文件不存在，则通过模型计算特征向量并保存
    if not os.path.exists(bottleneck_path):
    	#获取图片路径
        image_path = get_image_path(image_lists, INPUT_DATA, label_name, index, category)
        #获取图片内容
        image_data = gfile.FastGFile(image_path, 'rb').read()
        #计算特征向量
        bottleneck_values = run_bottleneck_on_image(sess, image_data, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor)
        #将计算得到的特征向量存入文件
        bottleneck_string = ','.join(str(x) for x in bottleneck_values)
        with open(bottleneck_path, 'w') as bottleneck_file:
            bottleneck_file.write(bottleneck_string)
    else:
    	#直接从图片中获取相应的特征向量
        with open(bottleneck_path, 'r') as bottleneck_file:
            bottleneck_string = bottleneck_file.read()
        bottleneck_values = [float(x) for x in bottleneck_string.split(',')]
    #返回得到的特征向量
    return bottleneck_values


#8. 这个函数随机获取一个batch的图片作为训练数据。
def get_random_cached_bottlenecks(sess, n_classes, image_lists, how_many, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor):
    bottlenecks = []
    ground_truths = []
    #随机一个类别和图片的编号加入当前的训练数据
    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

#9. 这个函数获取全部的测试数据，在最终测试的时候需要在所有数据上计算正确率。
def get_test_bottlenecks(sess, image_lists, n_classes, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor):
    bottlenecks = []
    ground_truths = []
    label_name_list = list(image_lists.keys())
    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

#10.定义主函数。
def main():
    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())
    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
    bottleneck_input = tf.placeholder(tf.float32, [None, BOTTLENECK_TENSOR_SIZE], name='BottleneckInputPlaceholder')
    ground_truth_input = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_classes], name='GroundTruthInput')
    
    # 定义一层全链接层
    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):
 
            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()

 

 

下图为迁移学习所得到的运行结果：