卷积神经网络（CNN）天气识别

活动地址：CSDN21天学习挑战赛

前言

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1.卷积有什么用？

卷积作用是为了进行特征提取
因为输入的信息中可能只有一小部分是对我们解决问题有帮助的，这些信息比较关键，这时候只提取这部分信息就可以了。对于计算机来说，进行特征提取后，需要处理的信息就急剧减少，可以极大的加快运行速度，当然这只是我认为其中比较重要的一个原因。

2.卷积的计算

4x4的输入矩阵 I 和 3 × 3 的卷积核 K:

• 在步长（stride）为 1 时，输出的大小为 ( 4 − 3 + 1 ) × ( 4 − 3 + 1 )

计算公式：

• 输入图片矩阵 I大小： w x w
• 卷积核 K ： k x k
• 步长S ：s 
• 填充大小（padding）：p

 输出图片大小为：o x o 

• 步长为2，卷积核为3*3，p=0的卷积情况如下：

当卷积函数中padding='same'时，会动态调整 p  值，确保 o=w ，即保证输入与输出一致。例如：输入是 28*28*1 输出也为 28*28*1 。

• 步长为1，卷积核为3*3，padding='same'的卷积情况如下： 

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一、读取数据

使用CNN实现多云、下雨、晴、日出四种天气状态的识别。较上篇文章，本文为了增加模型的泛化能力，新增了Dropout层并且将最大池化层调整成了平均池化层。

1.导入数据

import matplotlib.pyplot as plt
import os,PIL

# 设置随机种子尽可能使结果可以重现
import numpy as np
np.random.seed(1)

# 设置随机种子尽可能使结果可以重现
import tensorflow as tf
tf.random.set_seed(1)

from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers,models

import pathlib
data_dir = "D:/jupyter notebook/CSDN21天学习计划/weather_photos/"

data_dir = pathlib.Path(data_dir)

2.查看数据

  可以看到图片总共为1125张。

image_count = len(list(data_dir.glob('*/*.jpg')))

print("图片总数为：",image_count)

#图片总数为： 1125

roses = list(data_dir.glob('sunrise/*.jpg'))
PIL.Image.open(str(roses[0]))

 查看一下第一张照片

二、数据预处理

tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory() 简介

 参数解析：

• directory: 数据所在目录。如果标签是inferred（默认），则它应该包含子目录，每个目录包含一个类的图像。否则，将忽略目录结构。
• subset: training或validation之一。仅在设置validation_split时使用。

• seed: 用于shuffle和转换的可选随机种子。

• image_size: 从磁盘读取数据后将其重新调整大小。默认：（256，256）。由于管道处理的图像批次必须具有相同的大小，因此该参数必须提供。

• batch_size: 数据批次的大小。默认值：32

作用：

• 将文件夹中的数据加载到tf.data.Dataset中，且加载的同时会打乱数据。

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1. 加载数据

使用`image_dataset_from_directory`方法将磁盘中的数据加载到`tf.data.Dataset`中

batch_size = 32
img_height = 180
img_width = 180

train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="training",
    seed=123,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

Found 1125 files belonging to 4 classes.Using 900 files for training.

val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=123,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

 Found 1125 files belonging to 4 classes. Using 225 files for validation.

我们可以通过class_names输出数据集的标签。标签将按字母顺序对应于目录名称。

class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

['cloudy', 'rain', 'shine', 'sunrise']

2. 可视化数据

plt.figure(figsize=(20, 10))

for images, labels in train_ds.take(1):
    for i in range(20):
        ax = plt.subplot(5, 10, i + 1)

        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        plt.title(class_names[labels[i]])
        
        plt.axis("off")

 3. 再次检查数据

for image_batch, labels_batch in train_ds:
    print(image_batch.shape)
    print(labels_batch.shape)
    break

(32, 180, 180, 3)

(32,)

• Image_batch是形状的张量（32,180,180,3）。这是一批形状180x180x3的32张图片（最后一维指的是彩色通道RGB）。
• Label_batch是形状（32，）的张量，这些标签对应32张图片

4. 配置数据集

AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

train_ds = train_ds.cache().shuffle(1000).prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)

三、构建CNN神经网络模型.

tf.keras.layers.Dropout() 介绍

参数解析：

• rate：0~1之间的小数。让神经元以一定的概率rate停止工作，提高模型的泛化能力。
• noise_shape：1D张量类型,int32表示将与输入相乘的二进制丢失掩码的形状；例如,如果您的输入具有形状(batch_size, timesteps, features),并且你希望所有时间步长的丢失掩码相同,则可以使用noise_shape=[batch_size, 1, features]，就是哪一个是1，那么就在哪一维度按照相同的方式dropout，如果没有1就是普通的。
• seed：随机种子

作用：

• 防止过拟合，提高模型的泛化能力。

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卷积神经网络（CNN）的输入是张量 (Tensor) 形式的 (image_height, image_width, color_channels)，包含了图像高度、宽度及颜色信息。不需要输入batch size。color_channels 为 (R,G,B) 分别对应 RGB 的三个颜色通道（color channel）。在此示例中，我们的 CNN 输入，fashion_mnist 数据集中的图片，形状是 (28, 28, 1)即灰度图像。我们需要在声明第一层时将形状赋值给参数input_shape。

num_classes = 5

model = models.Sequential([
    layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./255, input_shape=(img_height, img_width, 3)),
    
    layers.Conv2D(16, (3, 3), activation='relu', input_shape=(img_height, img_width, 3)), # 卷积层1，卷积核3*3  
    layers.AveragePooling2D((2, 2)),               # 池化层1，2*2采样
    layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu'),  # 卷积层2，卷积核3*3
    layers.AveragePooling2D((2, 2)),               # 池化层2，2*2采样
    layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'),  # 卷积层3，卷积核3*3
    layers.Dropout(0.3),  
    
    layers.Flatten(),                       # Flatten层，连接卷积层与全连接层
    layers.Dense(128, activation='relu'),   # 全连接层，特征进一步提取
    layers.Dense(num_classes)               # 输出层，输出预期结果
])

model.summary()  # 打印网络结构

四、确定学习的目标

在准备对模型进行训练之前，还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的：

• 损失函数（loss）：用于衡量模型在训练期间的准确率。
• 优化器（optimizer）：决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
• 指标（metrics）：用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率，即被正确分类的图像的比率。

# 设置优化器
opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001)

model.compile(optimizer=opt,
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

五：模型训练

epochs = 10

history = model.fit(
  train_ds,
  validation_data=val_ds,
  epochs=epochs
)

六、模型评估

1.Accuracy与Loss图

acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']

loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(epochs_range, acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

2.混淆矩阵

• Seaborn是一个画图库，它基于Matplotlib核心库进行了更高阶的API封装，可以让你轻松地画出更漂亮的图形。Seaborn的漂亮主要体现在配色更加舒服、以及图形元素的样式更加细腻。

from sklearn.metrics import confusion_matrix
import seaborn as sns
import pandas as pd

# 定义一个绘制混淆矩阵图的函数
def plot_cm(labels, predictions):
    
    # 生成混淆矩阵
    conf_numpy = confusion_matrix(labels, predictions)
    # 将矩阵转化为 DataFrame
    conf_df = pd.DataFrame(conf_numpy, index=class_names ,columns=class_names)  
    
    plt.figure(figsize=(8,7))
    
    sns.heatmap(conf_df, annot=True, fmt="d", cmap="BuPu")
    # 用黑体显示中文
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] 
    plt.title('混淆矩阵',fontsize=15)
    plt.ylabel('真实值',fontsize=14)
    plt.xlabel('预测值',fontsize=14)
val_pre   = []
val_label = []

for images, labels in val_ds:#这里可以取部分验证数据（.take(1)）生成混淆矩阵
    for image, label in zip(images, labels):
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(image, 0) 
        # 使用模型预测图片中的人物
        prediction = model.predict(img_array)

        val_pre.append(class_names[np.argmax(prediction)])
        val_label.append(class_names[label])
plot_cm(val_label, val_pre)

七、保存和加载模型

# 保存模型
model.save('model/17_model.h5')
# 加载模型
new_model = tf.keras.models.load_model('model/17_model.h5')

八、预测

# 采用加载的模型（new_model）来看预测结果

plt.figure(figsize=(10, 5))  # 图形的宽为10高为5
plt.suptitle("预测结果展示")

for images, labels in val_ds.take(1):
    for i in range(15):
        ax = plt.subplot(3, 5, i + 1)  
        
        # 显示图片
        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        # 用黑体显示中文
        plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] 
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(images[i], 0) 
        
        # 使用模型预测图片中的人物
        predictions = new_model.predict(img_array)
        plt.title(class_names[np.argmax(predictions)])

        plt.axis("off")

 可以看到大部分预测都是准确的。

参考如下：

>- 本文为[365天深度学习训练营](https://mp.weixin.qq.com/s/k-vYaC8l7uxX51WoypLkTw) 中的学习记录博客
>- 参考文章地址： [深度学习100例-卷积神经网络（CNN）天气识别 | 第5天](https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/117186183)