卷积神经网络CNN相关模型python案例（LeNet-5、Inception_v3）

一、卷积神经网络CNN

卷积神经网络是通过卷积层(convolutions)和池化层(pooling)将特征从多个的通道(channel)生成Feature Map，再通过全连接网络（full connections）得到最终输出的一种神经网络结构。
卷积神经网络的结构通常如下：
$输入->(卷积层convolution\times N+采样层pooling)\times M->全连接层FC\times K$

1. 卷积层（convolution）
一个卷积层是将深度为$d$，每个深度上维度为$f\times f$的矩阵（过滤器/卷积核）按照卷积运算的方式，作用在深度（通道）为$d$,且每个通道上为一个二维$m\times n$特征矩阵（Feature Map）上面，进行扫描运算。（还可以加上padding操作，防止矩阵越算算越小。）
具体示意图如下：

卷积层可以看做将原有矩阵特征通过卷积核生成新矩阵特征的过程。

2. 采样层（pooling）
Pooling层主要的作用是下采样，通过去掉Feature Map中不重要的样本，进一步减少参数数量。Pooling的方法很多，最常用的是Max Pooling。Max Pooling实际上就是在$n\times n$的样本中取最大值，作为采样后的样本值。Max Pooling的示意图如下：

pooling层的通常具有以下作用：
对Feature Map进行压缩，保留主要的特征同时减少参数，提高模型泛华能力
增加特征的平移不变性（矩阵进行平移后旋转等操作时，对卷积层的运算结果影响不大。（详细可参考pooling的作用）
3.全连接层（Full Connection）
将Feature Map展开成一维后，连接全连接层。

关于卷积神经网络，网上讲解非常多，此处不仔细表述，推荐一个关于神经网络很通俗易懂的教程：零基础入门深度学习(4) - 卷积神经网络

二、LeNet-5的手写数字识别

LeNet-5出自论文Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition，对MNIST数据集（mnist数据集下载地址）的分识别准确度可达99.2%。其网络结构为：
$输入->(卷积层convolution+采样层pooling)\times 2->全连接层FC\times 2->softmax层$

使用深度学习工具tensorflow，编写LeNet-5结构，并对mnist手写数字集（mnist数据集下载地址）进行训练。其模型训练的python代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Tue Aug 20 17:51:50 2019
@author: nbszg
"""

#引入依赖包
import os
import struct
import numpy as np
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt

#数据加载函数
def load_mnist(path, kind='train'):
    """load mnist date
    Args:
        path: date path
        kind: train or test
    Returns:
        images and labels
    """
    labels_path = os.path.join(path,'%s-labels.idx1-ubyte'% kind)   #标签数据
    images_path = os.path.join(path,'%s-images.idx3-ubyte'% kind)   #图像数据
    with open(labels_path, 'rb') as lbpath:
        magic, n = struct.unpack('>II',lbpath.read(8))
        labels = np.fromfile(lbpath,dtype=np.uint8)
    
    with open(images_path, 'rb') as imgpath:
        magic, num, rows, cols = struct.unpack('>IIII',imgpath.read(16))
        images = np.fromfile(imgpath,dtype=np.uint8).reshape(len(labels), 784)
        
    return images, labels


path = 'D:/data/mnist/'   #数据所在路径
X_train, y_train = load_mnist(path, kind='train')    #训练集
X_test, y_test = load_mnist(path, kind='t10k')       #测试集

#将label进行one-hot处理
def y_onehot(y):
    """one-hot option
    Args:
        y: labels
    Returns:
        one-hot label
        eg:1->[0,1,0,0,0,0,0,0,0]
    """
    n_class = 10
    y_labels = np.eye(n_class)[y]
    return y_labels

y_train_labels = y_onehot(y_train)
y_test_labels = y_onehot(y_test)


#网络权重变量
def weight_variable(shape):
    """weight_variable
    Args:
        shape: weight's shape with 4 dimensions
    """
    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)   #对变量进行初始化
    return tf.Variable(initial)

#网络偏置项变量
def bias_variable(shape):
    """bias_variable
    Args:
        shape: bias's shape with 1 dimension
    """
    initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
    return tf.Variable(initial)

#定义卷积层，padding='SAME'
def conv2d(x, W):
    """conv2d layer
    Args:
        x: input
        W:weights
    Returns:
        conv2d output
    """
    return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
#定义pooling层，采用max_pooling
def max_pool_2x2(x):
    """max pooling layer
    Args:
        x: input
    Returns:
        max pooling output
    """
    return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1],strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

#超参
learning_rate = 0.0001    #学习速率
training_steps = 2000     #训练轮数
batch_size = 200          #批训练大小
display_step = 100        #展示步长

X = tf.placeholder(tf.float32,[None, 784])      #训练X
Y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])      #标签y
W_conv1 = weight_variable([5, 5, 1, 32])   #第一层卷积参数5*5，输入通道1，输出通道32
b_conv1 = bias_variable([32])  #第一层卷积，偏置项输出通道32
W_conv2 = weight_variable([5, 5, 32, 64]) #第二层卷积参数5*5，输入通道32，输出通道64
b_conv2 = bias_variable([64])  #第二层卷积，偏置项输出通道64
W_fc1 = weight_variable([7 * 7 * 64, 1024])  #全连接层，64个通道图像变为1维，为7*7*64；设置1024个神经元
b_fc1 = bias_variable([1024]) #对应1024个偏置项
keep_prob = tf.placeholder("float")     #drop_out概率
W_fc2 = weight_variable([1024, 10])     #全连接层变量
b_fc2 = bias_variable([10])             #全连接层偏置项

def conv_net(x, W_conv1, b_conv1, W_conv2, b_conv2, W_fc1, b_fc1, W_fc2, b_fc2, keep_prob):
    """conv_net model
    Args:
        ...
    Returns:
        conv_net model prediction
    """
    x_image = tf.reshape(x, [-1,28,28,1])
    h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(x_image, W_conv1) + b_conv1)  #第一层卷积层：relu函数
    h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)  #第一Pooling层，因为pooling步长为2，因此图像矩阵变为14*14
    h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1, W_conv2) + b_conv2)  #第二层卷积层：relu函数，因为pooling步长为2
    h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2) #第二Pooling层，因为pooling步长为2，因此图像矩阵变为7*7
    h_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2, [-1, 7*7*64])  #改变最后Plooing层形状，为对应的7*7*64
    h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool2_flat, W_fc1) + b_fc1)   #全连接层
    h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)
    y_conv=tf.nn.softmax(tf.matmul(h_fc1_drop, W_fc2) + b_fc2)   #最后softmax全连接层
    
    return y_conv

y_conv = conv_net(X, W_conv1, b_conv1, W_conv2, b_conv2, W_fc1, b_fc1, W_fc2, b_fc2, keep_prob)

cross_entropy = -tf.reduce_mean(Y*tf.log(tf.clip_by_value(y_conv,1e-11,1.0)))   #交叉熵为目标函数
train_step = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(cross_entropy)    #Adam梯度下降优化
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(Y,1))   #判断预测准确率
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))     #准确率

init = tf.global_variables_initializer()

#定义模型载入函数
def load_model(sess, saver,ckpt_path):
    latest_ckpt = tf.train.latest_checkpoint(ckpt_path)
    if latest_ckpt:    #如果之间训练过，可以在训练过的模型的基础上继续进行训练
        print ('resume from', latest_ckpt)
        saver.restore(sess, latest_ckpt)   
        return int(latest_ckpt[latest_ckpt.rindex('-') + 1:])
    else:
        print ('building model start')
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        return -1
        
#模型训练
with tf.Session() as sess:
    sess.run(init)
    total_batch = int(len(X_train)/batch_size)
    
    saver = tf.train.Saver(tf.global_variables())
    last_epoch = load_model(sess, saver,'D:/data/mnist/cnn_model_file/')
    
    for step in range(1,training_steps+1):
        for i in range(1,total_batch):
            batch_x = X_train[(i-1)*batch_size: i*batch_size]
            batch_y = y_train_labels[(i-1)*batch_size: i*batch_size]
            
            sess.run(train_step, feed_dict={
     X:batch_x, Y:batch_y, keep_prob: 0.5})

        if (step) % display_step == 0:
            
            loss,acc = sess.run([cross_entropy,accuracy], feed_dict={
     X:X_train[0:1000], Y:y_train_labels[0:1000], keep_prob: 1.0})
            print ("Step"+str(step)+", Minibatch Loss=========>"+"{:.4f}".format(loss)+", Training Accuracy=========>"+"{:.3f}".format(acc))

        saver.save(sess, 'D:/data/mnist/cnn_mnist.module', global_step=step)
        
    loss, acc = sess.run([cross_entropy, accuracy], feed_dict={
     X:X_train[0:1000], Y:y_train_labels[0:1000], keep_prob: 1.0})
    print ("Step"+str(step)+", Minibatch Loss="+"{:.4f}".format(loss)+", Training Accuracy="+"{:.3f}".format(acc))
    
    print ("Optimization Finished!")

使用训练好的模型对test集的样本进行预测。次数列举对10张图片的预测结果：

可以看到，LeNet对10张手写数字图片的预测都是正确的。

二、Inception-V3的猫狗图片分类

Inception 网络是 CNN 分类器发展史上一个重要的里程碑。之前的CNN总是尝试卷积层的不断传串联，希望用越来越深的网络达到更好的效果。而Inception族的网络是网络不在是简单的堆叠加深。Inception-V3便是Inception其中的一员。其网络结构如下：

关于Inception-V3的更多知识可阅读：深度学习卷积神经网络——经典网络GoogLeNet(Inception V3)网络的搭建与实现

Keras 是一个用 Python 编写的高级神经网络 API，它能够以 TensorFlow, CNTK, 或者 Theano 作为后端运行。当以TensorFlow为后端时，Kreas可以看做TensorFlow的封装。此时Kreas的编写往往比TensorFlow编写更加简单。因此此处使用Kreas对Inception-V3案例进行编写。

Inception-V3结构大约有2500万个参数，使用普通个人电脑对其进行训练是本可能完成的。因此此处使用迁移学习，将已经训练好的Inception-V3的大部分层参数直接载入，只对最后几层的网络进行训练。

模型训练的python代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Tue Aug 21 13:31:50 2019
@author: nbszg
"""

#引入依赖包# -*- coding: utf-8 -*-
import os
import numpy as np
from keras.applications.inception_v3 import InceptionV3
from keras.layers import Dense,Flatten,GlobalAveragePooling2D
from keras.models import Model,load_model
from keras.optimizers import SGD
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
import matplotlib.pyplot as plt

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

class PowerTransferMode:
    #数据准备
    def DataGen(self, dir_path, img_row, img_col, batch_size, is_train):
        
        """
        data enhancement
        Args:
            dir_path:dir path of data
            img_row: image width
            img_col: image height
            batch_size: bitch_size of trian
            is_train: boolean
        return：
            data enhancement result
        """
        #数据增强可以增加训练数据，包括平移，旋转，镜像，加入噪声等
        if is_train:
            datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255,
                zoom_range=0.25, rotation_range=15.,
                channel_shift_range=25., width_shift_range=0.02, height_shift_range=0.02,
                horizontal_flip=True, fill_mode='constant')
        else:
            datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)    #若不是训练集，则直接输出

        generator = datagen.flow_from_directory(
            dir_path, target_size=(img_row, img_col),
            batch_size=batch_size,
            #class_mode='binary',
            shuffle=is_train)

        return generator

    # InceptionV3模型
    def InceptionV3_model(self, lr=0.005, decay=1e-6, momentum=0.9, nb_classes=2, img_rows=197, img_cols=197, RGB=True):
        """
        InceptionV3_model
        Args:
            ...
        return：
            InceptionV3_model
        """
        color = 3 if RGB else 1
        base_model = InceptionV3(weights='imagenet', include_top=False, pooling=None,input_shape=(img_rows, img_cols, color),classes=nb_classes)         #迁移学习，InceptionV3_model模型复用

        # 冻结base_model所有层，这样就可以正确获得bottleneck特征
        for layer in base_model.layers:
            layer.trainable = False    #迁移学习的InceptionV3_model部分不需要再训练

        x = base_model.output
        # 添加自己的全链接分类层
        x = GlobalAveragePooling2D()(x)       #添加average pooling层
        x = Dense(1024, activation='relu')(x)    #全连接层
        predictions = Dense(nb_classes, activation='softmax')(x)    #softmax输出预测结果

        # 训练模型
        model = Model(inputs=base_model.input, outputs=predictions)
        sgd = SGD(lr=lr, decay=decay, momentum=momentum, nesterov=True)    #优化器
        model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=sgd, metrics=['accuracy'])


        return model
    
    #训练模型
    def train_model(self, model, epochs, train_generator, steps_per_epoch, validation_generator, 
                    validation_steps, model_url, is_load_model=False):  
        """
        train model
        Args:
            ...
        return：
            model trained
        """
        if is_load_model and os.path.exists(model_url):
            model = load_model(model_url)    #载入模型
            
        history_ft = model.fit_generator(
            train_generator,
            steps_per_epoch=steps_per_epoch,
            epochs=epochs,
            validation_data=validation_generator,
            validation_steps=validation_steps)     #模型训练
        model.save(model_url,overwrite=True)     #模型保存
        return history_ft


image_size = 197
batch_size = 32
transfer = PowerTransferMode()
train_generator = transfer.DataGen('D:/data/cat_vs_dog/train_set/', image_size, image_size, batch_size, True)
validation_generator = transfer.DataGen('D:/data/cat_vs_dog/validation_set/', image_size, image_size, batch_size, False)
model = transfer.InceptionV3_model(nb_classes=2, img_rows=image_size, img_cols=image_size, is_plot_model=False)
history_ft = transfer.train_model(model, 10, train_generator, 600, validation_generator, 60, 'D:/data/cat_vs_dog/inceptionv3_nbs.model', is_load_model=False)   #'D:/data/cat_vs_dog/inceptionv3_nbs.model'为已经下载好的迁移学习预训练文件

使用训练好的模型对t10张猫狗图片进行预测，预测结果如下：