深度学习训练营之海贼王人物识别

原文链接

• 本文为365天深度学习训练营 中的学习记录博客
• 参考文章：365天深度学习训练营-第P4周：海贼王人物识别
• 原作者：K同学啊|接辅导、项目定制

环境介绍

• 语言环境：Python3.9.13
• 编译器：jupyter notebook
• 深度学习环境：TensorFlow2

前置工作

设置GPU

如果使用的是CPU就不用设置了

import tensorflow as tf

gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    gpu0 = gpus[0]                                        #如果有多个GPU，仅使用第0个GPU
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu0, True)  #设置GPU显存用量按需使用
    tf.config.set_visible_devices([gpu0],"GPU")

导入数据

对数据进行导入,首先是导入需要的包

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

调整数据集所在的位置

data_dir = "D:\BaiduNetdiskDownload\sixday\sixday\hzw_photos"

data_dir = pathlib.Path(data_dir)

数据查看

数据集一共分为路飞、索隆、娜美、乌索普、乔巴 、山治、罗宾七个人物角色，分别存放于weather_photos文件夹中以各自名字命名的子文件夹中。
对于每一个文件夹来说的含义如下

文件夹	含义	数量
lufei	路飞	117 张
suolong	索隆	90 张
namei	娜美	84 张
wusuopu	乌索普	77张
qiaoba	乔巴	102 张
shanzhi	山治	47 张
luobin	罗宾	105张

image_count = len(list(data_dir.glob('*/*.jpg')))
print("图片总数为：",image_count)

图片总数为： 621

数据预处理

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 = 224
img_width = 224

"""
关于image_dataset_from_directory()的详细介绍可以参考文章：https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/117018789
"""
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)

通过class_names输出数据集的标签,标签按照字母顺序对应于目录名称

class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

可视化数据

plt.figure(figsize=(10, 5))  # 图形的宽为10高为5

for images, labels in train_ds.take(1):
    for i in range(8):
        
        ax = plt.subplot(2, 4, i + 1)  

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

plt.imshow(images[4].numpy().astype("uint8"))

检查数据

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

• Image_batch是形状的张量（32,240,240,3）。这是一批形状240x240x3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

配置数据集

• shuffle()：打乱数据，关于此函数的详细介绍可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/42417456
• prefetch()：预取数据，加速运行

prefetch()功能详细介绍：

CPU 正在准备数据时，加速器处于空闲状态。相反，当加速器正在训练模型时，CPU 处于空闲状态。因此，训练所用的时间是 CPU 预处理时间和加速器训练时间的总和。prefetch()将训练步骤的预处理和模型执行过程重叠到一起。当加速器正在执行第 N 个训练步时，CPU 正在准备第 N+1 步的数据。这样做不仅可以最大限度地缩短训练的单步用时（而不是总用时），而且可以缩短提取和转换数据所需的时间。如果不使用prefetch()，CPU 和 GPU/TPU 在大部分时间都处于空闲状态
使用该函数的作用就在于尽可能的提高CPU等的使用性能,提高模型训练时候的速度

使用该函数可以减少空闲时间

• cache():将数据集缓存到内存当中,加速运行

AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

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

归一化

normalization_layer = layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./255)

normalization_train_ds = train_ds.map(lambda x, y: (normalization_layer(x), y))
val_ds = val_ds.map(lambda x, y: (normalization_layer(x), y))

查看归一化后的数据

image_batch, labels_batch = next(iter(val_ds))
first_image = image_batch[0]

# 查看归一化后的数据
print(np.min(first_image), np.max(first_image))

构建VGG-16网络

VGG优缺点分析：

• VGG优点

VGG的结构非常简洁，整个网络都使用了同样大小的卷积核尺寸（3x3）和最大池化尺寸（2x2）。

• VGG缺点

1)训练时间过长，调参难度大。2)需要的存储容量大，不利于部署。例如存储VGG-16权重值文件的大小为500多MB，不利于安装到嵌入式系统

from tensorflow.keras import layers, models, Input
from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Dense, Flatten, Dropout

def VGG16(nb_classes, input_shape):
    input_tensor = Input(shape=input_shape)
    # 1st block
    x = Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block1_conv1')(input_tensor)
    x = Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block1_conv2')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block1_pool')(x)
    # 2nd block
    x = Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block2_conv1')(x)
    x = Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block2_conv2')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block2_pool')(x)
    # 3rd block
    x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv1')(x)
    x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv2')(x)
    x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block3_pool')(x)
    # 4th block
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv1')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv2')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block4_pool')(x)
    # 5th block
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv1')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv2')(x)
    x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block5_pool')(x)
    # full connection
    x = Flatten()(x)
    x = Dense(4096, activation='relu',  name='fc1')(x)
    x = Dense(4096, activation='relu', name='fc2')(x)
    output_tensor = Dense(nb_classes, activation='softmax', name='predictions')(x)

    model = Model(input_tensor, output_tensor)
    return model

model=VGG16(1000, (img_width, img_height, 3))
model.summary()

网络结构

结构说明：

• 13个卷积层（Convolutional Layer），分别用blockX_convX表示
• 3个全连接层（Fully connected Layer），分别用fcX与predictions表示
• 5个池化层（Pool layer），分别用blockX_pool表示

VGG-16包含了16个隐藏层（13个卷积层和3个全连接层），故称为VGG-16

编译

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'])

模型训练

epochs = 10

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

结果可视化

对模型进行评估

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()