卷积神经网络实现图像分类

卷积神经网络的基本结构和原理我们已有介绍，在这一节里将使用 TensorFlow 搭建一个简单的卷积神经网络，实现图像分类。

这里我们要解决的任务是来自于 Kaggle 上的一道赛题：在加拿大的东海岸经常会有漂流的冰山，对航行在该海域的船舶造成了很大的威胁。挪威国家石油公司（Statoil）是一家在全球运营的国际能源公司，该公司曾与 C-CORE 等公司合作，C-CORE 基于其卫星数据和计算机视觉技术建立了一个监控系统。

Statoil 发布该赛题的目的是希望利用机器学习的技术，更准确地及早发现和识别出威胁船舶航行的冰山。

1. 数据介绍

赛题提供了两个数据文件“train.json”和“test.json”，其中“test.json”是比赛中用来对模型进行评分的，没有类标，这里我们只需要使用“train.json”文件。该数据集中有 1604 个打标过的训练数据，单个样本的数据格式如表 1 所示。

表 1：单个样本的数据格式

字段名	字段说明
id	图像的 id
band_1 ,band_2	卫星图像数据，band_1 和 band_2 是以特定入射角下不同极化方式产生的雷达后向散射为特征的信号， 分别对应 HH （水平发射/水平接收）和 HV （水平发射/垂直接收）两种极化方式的数据，其大小均为 75x75
inc_angle	获得该数据时的入射角度。该字段部分缺少数据，标记为“na”
is_iceberg	类标，0 代表船只，1 代表冰山

我们将数据可视化后进行观察，如图 1 所示。

图 1：训练数据可视化效果（易观察）

图像上方是冰山图像的可视化效果，三幅图分别对应“HH”极化方式、“HV”极化方式，以及两者结合后的数据。图像下方是船只图像的可视化效果。

 

图 1 中的冰山和船只，通过观察可以较为容易地区分出来，但是还有很多如图 2 所示的数据，即使仔细观察也很难区分开来。

图 2：训练数据可视化效果（不易观察）

 

2. 数据预处理

首先导入需要的包：

import numpy as np
import pandas as pd
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers

接下来定义一个数据预处理的函数：

def data_preprocess(path, more_data):
    #读取数据
    data_frame = pd.read_json(path)

    #获取图像数据
    images =[]
    for _, row in data_frame.iterrows():
        #将一维数据转换另75x75的二维数据
        band_1 = np.array(row['band_1']).reshape(75, 75)
        band_2 = np.array(row['band_2 ']).reshape(75f 75)
        band_3 = band_1 + band_2

        images.append(np.dstack((band_1, band_2, band_3)))
    if more_data:
        #扩充数据集
        images = create_more_data(np.array(images))

    #获取类标
    labels = np.array(data_frame['is_iceberg'])
    if more_data:
        #扩充数据集后，类标也需要相应扩充
        labels = np.concatenate((labels, labels, labels, labels, labels, labels))

    return np.array(images), labels

“data_preprocess”函数接收两个参数：“path”为训练数据“train.json”的文件路径；“more_data”为布尔类型，当其为True 时，会调用函数“create_more_data”进行训练数据的扩充（即数据增强）。

第 7 行到第 13 行代码对样本数据进行处理，除了原有的“band_1”和“band_2”，我们增加了“band_3”，band_3=band_1+band_2。最后使用 NumPy 的“dstack”函数将三种数据进行堆叠，因此我们单个样本的数据维度为75×75×3。
 

第 16 行代码调用“create_more_data”函数对训练数据进行扩充，第 22 行代码对训练集的类标数据进行扩充，因为“create_more_data”函数将训练数据扩充为了原来的 6 倍，所以这里也要对应地将类标扩充为原来的 6 倍。

“create_more_data”函数的实现如下：

def create_more_data(images):
    #通过旋转、翻转扩充数据
    image_rot90 = []
    image_rot180 = []
    image_rot270 = []
    img_lr = []
    img_ud = []

在“create_more_data”函数中，我们通过对图片进行旋转和翻转来扩充数据集，虽然旋转前后的图片是同一张，但是由于特征的位置发生了变化，因此对于模型来说就是不同的数据，旋转或翻转操作是扩充图像数据集的一个简单有效的方法。

在第 3 行至第 7 行代码中，定义了 5 个列表，用来保存扩充的数据集，对应的操作分别是逆时针旋转 90°、逆时针旋转 180°、逆时针旋转 270°、左右翻转和上下翻转。具体实现如下：

for i in range(0, images.shape[0]):
    band_1 = images[i, :, :, 0 ]
    band_2 = images[i, :, :, 1 ]
    band_3 = images[i, :, :, 2]

    #旋转90°
    band_1_rot90 = np.rot90(band_1)
    band_2_rot90 = np.rot90(band_2)
    band_3_rot90 = np.rot90(band_3)
    image_rot90.append(np.dstack((band_1_rot90, band_2_rot90, band_3_rot90)))

    #旋转180°
    band_1_rot180=np.rot90(band_1_rot90)
    band_2_rot180=np.rot90(band_2_rot90)
    band_3_rot180 = np.rot90(band_3_rot90)
    image_rot180.append(np.dstack((band_1_rot180, band_2_rot180, band_3_rot180)))

    #旋转270°
    band_1_rot270 = np.rot90(band_1_rot180)
    band_2_rot270 = np.rot90(band_2_rot180)   
    band_3_rot270 = np.rot90(band_3_rot180)
    image_rot270.append(np.dstack((band_1_rot270, band_2_rot270, band_3_rot270)))

    #左右翻转
    lr1 = np.flip(band_1, 0)
    lr2 = np.flip(band_2, 0)
    lr3 = np.flip(band_3, 0)
    img_lr.append(np.dstack((lrlf lr2, lr3)))

    #上下翻转
    ud1 = np.flip(band_1, 1)
    ud2 = np.flip(band_2, 1)
    ud3 = np.flip(band_3, 1)
    img_ud.append(np.dstack((ud1, ud2, ud3)))

上面的代码中，我们使用 NumPy 的“rot90”和“flip”函数对图片进行旋转和翻转操作。“flip”函数的第二个参数控制翻转的方式，“0”为左右翻转，“1”为上下翻转。

rot90 = np.array(image_rot90)
rot180 = np.array(image_rot180)
rot270 = np.array(image_rot270)
lr = np.array(img_lr)
ud = np.array(img_ud)
images = np.concatenate((image,rot90, rot180, rot270, lr, ud))

return images

第 6 行代码使用 NumPy 的“concatenate”函数将扩充的数据与原数据进行拼接。

3. 模型搭建

接下来使用 TensorFlow 的高级 API 来搭建模型。

#定义模型
def get_model():
    #建立一个序贯模型
    model = tf.keras.Sequential()

    #第一个卷积块
    model.add(layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation= 'relu', input_shape=(75, 75, 3)))
    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(3, 3), strides=(2, 2)))
    model.add(layers.Dropout(0.2))

    #第二个卷积块
    model.add(layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation= 'relu'))
    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2)))
    model.add(layers.Dropout(0.2))

    #第三个卷积块
    model.add(layers.Conv2D(64, kernel_size=(2, 2), activation='relu'))
    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(3, 3), strides=(2, 2)))
    model.add(layers.Dropout(0.2))

    #第四个卷积块
    model.add(layers.Conv2D(64, kernel_size={2, 2), activation= 'relu'))
    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2)))
    model.add(layers.Dropout(0.2))

    #将上一层的输出特征映射转化为一维数据，以便进行全连接操作
    model.add(layers.Flatten())

    #第一个全连接层
    model.add(layers.Dense(256))
    model.add(layers.Activation('relu'))
    model.add(layers.Dropout(0.2))

    #第二个全连接层
    model.add(layers.Dense(128))
    model.add(layers.Activation('relu'))
    model.add(layers.Dropout(0.2))

    #第三个全连接层
    model.add(layers.Dense(1))
    model.add(layers.Activation('sigmoid'))

    #编译模型
    model.compile(loss= 'binary_crossentropy', optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(0.0001), metrics=['accuracy'])

    #打印出模型的概况信息
    model.summary()

    return model

在第 4 行代码中，使用“tf.keras.Sequential()”创建一个序贯模型，序贯模型是多个网络层的线性堆叠，使用“tf.keras.Sequential().add()”方法逐层添加网络结构。第 7 行到第 9 行代码是第一个卷积块，这里使用了 128 个大小为 3×3 的卷积核，以 ReLU 为激活函数。

在卷积层后面是一个池化层，采用最大池化，池化窗口的大小为 3×3，横向和纵向的步长都为 2。在池化层的后面进行 Dropout 操作，丢弃了 20% 的神经元，防止参数过多导致过拟合。接下来是三个类似的卷积块。
 

第 27 行代码使用“Flatten()”将前一层网络的输出转换为了一维的数据，这是为接下来的全连接操作做准备。第 30 行代码是第一个全连接层，有 256 个神经元，全连接层后面接 ReLU 激活函数，同样进行 Dropout 操作。第 35 行至第 37 行代码是类似的全连接层部分。

由于是二分类问题，第 40 行至第 41 行代码使用了一个只有一个神经元的全连接层，并使用了 Sigmoid 激活函数，得到最终的输出。

第 44 行代码使用“compile”编译模型，其中“loss='binary_crossentropy'”指明使用的是对数损失函数，通过“optimizers”参数设置使用Adam 优化器，设置学习率为 0.0001。“metrics” 列表包含评估模型在训练和测试时的性能指标，这里设置了“metrics= ['accuracy']”，则在训练的过程中，训练集和验证集上的准确率都会打印出来。

第 47 行代码使用了“summary()”函数，训练开始后终端会打印出模型的概况信息，如图 3 所示，其中包含了网络的结构，以及每层的参数数量等信息，最后一行显示出，总的训练数据为 7699 条，验证集的数据量为 1925 条。

图 3：模型的概况信息

 

4. 结果分析

接下来读取数据，并训练模型：

#数据预处理
train_x, train_y = data_preprocess('./data/train.json', more_data=True)
#初始化模型
cnn_model = get_model()
#模型训练
cnn_model. fit (train_x, train_y, batch_size=25, epochs=100, verbose=1, validation_split=0.2)

第 2 行代码调用“data_preprocess”函数获取预处理后的训练数据，将“more_data”设置为“True”进行数据扩充。第 8 行代码调用“fit”方法开始模型的训练，通过“batch_size”设置每个批次训练 25 条数据，通过“epochs”设置训练的总回合数为“100”。

通过设置“verbose”为“1”，在终端上显示训练的进度。通过设置“validation_split”为“0.2”，将训练集一分为二，其中 80% 作为训练集，20% 作为验证集。

模型的训练过程和结果如图 4 所示。

图 4：模型的训练过程和结果