kaggle猫狗分类

本文介绍使用CNN卷积神经网络完成猫狗图像识别，数据集来源于kaggle：[猫狗分类数据集]。主要包括以下三部分：

• 数据创建与预处理
• 神经网络模型搭建
• 数据增强实现减小正则化

数据处理

数据集包含25000张图片，猫和狗各有12500张；创建每个类别1000个样本的训练集、500个样本的验证集和500个样本的测试集（只使用部分数据进行建模）

import os
import shutil

current_dir = %pwd
current_dir #当前目录

base_dir = current_dir + '/cats_dogs_small'
os.mkdir(base_dir)#建立本次数据文件夹

train_dir = os.path.join(base_dir,'train')
os.mkdir(train_dir)#创建训练集

val_dir = os.path.join(base_dir,'val')
os.mkdir(val_dir)#创建验证集

test_dir = os.path.join(base_dir,'test')
os.mkdir(test_dir)#创建测试集

train_dir_cat = os.path.join(train_dir,'cat')
os.mkdir(train_dir_cat)#训练集猫

train_dir_dog = os.path.join(train_dir,'dog')
os.makedirs(train_dir_dog)#训练集狗

val_dir_cat = os.path.join(val_dir,'cat')
os.mkdir(val_dir_cat)#验证集猫

val_dir_dog = os.path.join(val_dir,'dog')
os.mkdir(val_dir_dog)#验证集狗

test_dir_cat = os.path.join(test_dir,'cat')
os.mkdir(test_dir_cat)#测试集猫

test_dir_dog = os.path.join(test_dir,'dog')
os.mkdir(test_dir_dog)#测试集狗

将原有数据复制进创建好的文件中

fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000)]

for name in fnames:
    
    src = os.path.join('../猫狗/cats_dogs/',name)
    
    dst = os.path.join(train_dir_cat,name)
    
    shutil.copyfile(src,dst) #复制文件内容
    
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000)]

for name in fnames:
    
    src = os.path.join('../猫狗/cats_dogs/',name)
    
    dst = os.path.join(train_dir_dog,name)
    
    shutil.copyfile(src,dst) #复制文件内容

fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000,1500)]

for name in fnames:
    
    src = os.path.join('../猫狗/cats_dogs/',name)
    
    dst = os.path.join(val_dir_cat,name)
    
    shutil.copyfile(src,dst) #复制文件内容

fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000,1500)]

for name in fnames:
    
    src = os.path.join('../猫狗/cats_dogs/',name)
    
    dst = os.path.join(test_dir_cat,name)
    
    shutil.copyfile(src,dst) #复制文件内容

fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1500,2000)]

for name in fnames:
    
    src = os.path.join('../猫狗/cats_dogs/',name)
    
    dst = os.path.join(val_dir_dog,name)
    
    shutil.copyfile(src,dst) #复制文件内容

fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1500,2000)]

for name in fnames:
    
    src = os.path.join('../猫狗/cats_dogs/',name)
    
    dst = os.path.join(test_dir_dog,name)
    
    shutil.copyfile(src,dst) #复制文件内容

显示图片内容

from PIL import Image

path = os.path.join('../猫狗/cats_dogs_small/train/cat/cat.0.jpg')
Image.open(path)

或者

import matplotlib.pyplot as plt
path = os.path.join('../猫狗/cats_dogs_small/train/cat/cat.0.jpg')
img = plt.imread(path)
plt.imshow(img)

img.shape #打印图片大小:(374, 500, 3)

搭建神经网路

#导入需要的包
import tensorflow as tf
from keras import layers
from keras import models

#构建网络
model = models.Sequential()

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu',input_shape=(150,150,3))) #输入图片大小为(150,150,3)
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2))

model.add(tf.keras.layers.Flatten())
model.add(tf.keras.layers.Dense(512,activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.Dense(1,activation='sigmoid'))

model.summary()#打印网络结构

网络结构以及参数量

模型编译

from tensorflow.keras import optimizers

model.compile(loss="binary_crossentropy",
             optimizer = optimizers.RMSprop(learning_rate=1e-4),
             metrics=['acc'])
#损失函数交叉熵损失函数，优化方法RMSprop,评价指标acc

数据预处理

数据输入到神经网络之前必须先转成浮点数张量。

keras有个处理图像的模块：keras.preprocessing.image
它包含ImageDataGenerator类，可以快速创建Python生成器，将图形文件处理成张量批量

from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator

train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)#进行缩放
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)

train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
    train_dir,#训练集所在目录
    target_size=(150,150),#将图片转换为目标大小
    batch_size=20,#每一批的数量
    class_mode='binary' # 损失函数是binary_crossentropy 所以使用二进制标签
    )

valid_generator = test_datagen.flow_from_directory(
    val_dir,
    target_size=(150,150),
    batch_size=20,
    class_mode = 'binary'
)

for data_batch,labels_batch in train_genertor:
	print(data_batch.shape)
    print(labels_batch.shape)
    break

(20, 150, 150, 3)
(20,)

生成器的输出是150-150的RGB图像和二进制标签，形状为(20,)组成的批量。每个批量包含20个样本（批量的大小）。

生成器会不断地生成这些批量，不断地循环目标文件夹中的图像。

keras模型使用fit_generator方法来拟合生成器的效果。模型有个参数steps_per_epoch参数：从生成器中抽取steps_per_epoch个批量后，拟合进入下一轮。

本例中：总共是2000个样本，每个批量是20个样本，所以需要100个批量

模型拟合

history = model.fit_generator(
    train_generator,#第一个参数必须是python生成器
    steps_per_epoch=100,#批量数
    epochs = 30,#迭代次数
    validation_data = valid_generator,#待验证的数据集
    validation_steps = 50
)

保存模型

model.save("cats_and_dogs_small.h5")

损失和精度曲线

import matplotlib.pyplot as plt

history_dict = history.history  # 字典形式
for key, _ in history_dict.items():
    print(key)
#history.history保存以下四个参数
loss
acc
val_loss
val_acc

acc = history_dict["acc"]
val_acc = history_dict["val_acc"]

loss = history_dict["loss"]
val_loss = history_dict["val_loss"]

epochs = range(1, len(acc)+1)

# acc
plt.plot(epochs, acc, "bo", label="Training acc")
plt.plot(epochs, val_acc, "b", label="Validation acc")
plt.title("Training and Validation acc")
plt.legend()

plt.figure()

# loss
plt.plot(epochs, loss, "bo", label="Training loss")
plt.plot(epochs, val_loss, "b", label="Validation loss")
plt.title("Training and Validation loss")
plt.legend()

上传训练集和验证集的时候搞错了，，，出现了如下bug


小结：得到过拟合的结论

随着时间的增加，训练精度在不断增加，接近100%，而验证精度则停留在70%
验证的损失差不多在第6轮后达到最小值，后面一定轮数内保持不变，训练的损失一直下降，直接接近0

数据增强

数据增强也是解决过拟合的一种方法，另外两种是：

• dropout
• 权重衰减正则化

什么是数据增强：从现有的训练样本中生成更多的训练数据，利用多种能够生成可信图像的随机变化来增加数据样本。

模型在训练时候不会查看两个完全相同的图像

设置数据增强

datagen = ImageDataGenerator(
    rotation_range=40,  # 0-180的角度值
    width_shift_range=0.2,  # 水平和垂直方向的范围；相对于总宽度或者高度的比例
    height_shift_range=0.2,
    shear_range=0.2,  # 随机错切变换的角度
    zoom_range=0.2,  # 图像随机缩放的角度
    horizontal_flip=True,  # 随机将一半图像进行水平翻转
    fill_mode="nearest"  # 用于填充新创建像素的方法
)

显示增强后图像

from keras.preprocessing import image

fnames = [os.path.join(train_dir_cat,fname) for fname in os.listdir(train_dir_cat)]

img_path = fnames[3]

img_path #打印图形路径

img = image.load_img(img_path,target_size=(150,150))

x = image.img_to_array(img)

x.shape	#(150,150,3)

x = x.reshape((1,) + x.shape)

x.shape  #(1,150,150,3)

i = 0
for batch in datagen.flow(x, batch_size=1):  # 生成随机变换后的图像批量
    plt.figure()   
    imgplot = plt.imshow(image.array_to_img(batch[0]))
    i += 1
    if i % 4 == 0:
        break  # 循环是无限，需要在某个时刻终止
        
plt.show()

包含Dropout层的新卷积神经网络
数据增强来训练网络的话，网络不会看到两次相同的输入。但是输入仍是高度相关的，不能完全消除过拟合。

可以考虑添加一个Dropout层，添加到密集分类连接器之前

model = models.Sequential()

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu',input_shape=(150,150,3)))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2))

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2))

model.add(tf.keras.layers.Flatten())

model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))#新加的dropout层

model.add(tf.keras.layers.Dense(512,activation='relu'))
model.add(tf.keras.layers.Dense(1,activation='sigmoid'))

model.summary()

再次训练

# 训练数据的增强
train_datagen = ImageDataGenerator(
    rescale=1. / 255,
    rotation_range=40,
    width_shift_range=0.2,
    height_shift_range=0.2,
    shear_range=0.2,
    zoom_range=0.2,
    horizontal_flip=True
)

# 不能增强验证数据
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1.0 / 255)

train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
    train_dir,  # 目标目录
    target_size=(150,150),  # 大小调整
    batch_size=32,
    class_mode="binary"
)

validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(
    validation_dir,
    target_size=(150,150),
    batch_size=32,
    class_mode="binary"
)

# 优化：报错有修改
history = model.fit_generator(
    train_generator,
    # 原文 steps_per_epoch=100,
    steps_per_epoch=63,  # steps_per_epoch=2000/32≈63 取上限
    epochs=100,
    validation_data=validation_generator,
    # 原文 validation_steps=50
    validation_steps=32  # validation_steps=1000/32≈32
)

模型保存

model.save("cats_and_dogs_small_2.h5")

损失和精度曲线

history_dict = history.history  # 字典形式

acc = history_dict["acc"]
val_acc = history_dict["val_acc"]
loss = history_dict["loss"]
val_loss = history_dict["val_loss"]

具体绘图代码

epochs = range(1, len(acc)+1)

# acc
plt.plot(epochs, acc, "bo", label="Training acc")
plt.plot(epochs, val_acc, "b", label="Validation acc")
plt.title("Training and Validation acc")
plt.legend()

plt.figure()

# loss
plt.plot(epochs, loss, "bo", label="Training loss")
plt.plot(epochs, val_loss, "b", label="Validation loss")
plt.title("Training and Validation loss")
plt.legend()

plt.show()

结论：在使用了数据增强之后，模型不再拟合，训练集曲线紧跟着验证曲线；而且精度也变为81%，相比未正则之前得到了提高。