熱文 | 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)入門(mén)案例，輕松實(shí)現(xiàn)花朵分類（2）

構(gòu)建模型

常見(jiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），主要由幾個(gè) 卷積層Conv2D 和 池化層MaxPooling2D 層組成。卷積層與池化層的疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的特征提取，最后連接全連接層實(shí)現(xiàn)分類。

特征提取——卷積層與池化層

實(shí)現(xiàn)分類——全連接層

CNN 的輸入是張量 (Tensor) 形式的 (image_height, image_width, color_channels)，包含了圖像高度、寬度及顏色信息。通常圖像使用 RGB 色彩模式，color_channels 為 (R,G,B) 分別對(duì)應(yīng) RGB 的三個(gè)顏色通道，即：image_height 和 image_width 根據(jù)圖像的像素高度、寬度決定color_channels是3，對(duì)應(yīng)RGB的3通道。

花朵數(shù)據(jù)集中的圖片，形狀是 (180, 180, 3)，我們可以在聲明第一層時(shí)將形狀賦值給參數(shù) input_shape 。

num_classes = 5
model = Sequential([
  layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./255, input_shape=(img_height, img_width, 3)),
  layers.Conv2D(16, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Conv2D(32, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Conv2D(64, 3, padding='same', activation='relu'),
  layers.MaxPooling2D(),
  layers.Flatten(),
  layers.Dense(128, activation='relu'),
  layers.Dense(num_classes)
])

該模型由三個(gè)卷積塊組成，每個(gè)卷積塊中包括2D卷積層+最大池化層。最后有一個(gè)全連接層，有128個(gè)單元，可以通過(guò)relu激活功能激活該層。

編譯模型

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

查看一下網(wǎng)絡(luò)模型：tf.keras.utils.plot_model(model) ，或者用這樣方式看看：model.summary()

訓(xùn)練模型

這里我們輸入準(zhǔn)備好的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)（包括圖像、對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽），測(cè)試集的數(shù)據(jù)（包括圖像、對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽），模型一共訓(xùn)練10次。

epochs=10
history = model.fit(
  train_ds,
  validation_data=val_ds,
  epochs=epochs
)

下圖是訓(xùn)練過(guò)程的截圖：

通常loss越小越好，對(duì)了解釋下什么是loss；簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是 模型預(yù)測(cè)值 和 真實(shí)值 的相差的值，反映模型預(yù)測(cè)的結(jié)果和真實(shí)值的相差程度；通常準(zhǔn)確度accuracy 越高，模型效果越好。

評(píng)估模型

在訓(xùn)練和驗(yàn)證集上創(chuàng)建損失和準(zhǔn)確性圖。

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=(8, 8))
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()

從圖中可以看出，訓(xùn)練精度和驗(yàn)證精度相差很大，模型僅在驗(yàn)證集上獲得了約60％的精度。

訓(xùn)練精度隨時(shí)間增長(zhǎng)，而驗(yàn)證精度在訓(xùn)練過(guò)程中停滯在60％左右。訓(xùn)練和驗(yàn)證準(zhǔn)確性之間的準(zhǔn)確性差異很明顯，這是過(guò)擬合的標(biāo)志。

可能過(guò)擬合出現(xiàn)的原因 ：當(dāng)訓(xùn)練示例數(shù)量很少時(shí)，像這次的只有3000多張圖片，該模型有時(shí)會(huì)從訓(xùn)練示例中的噪音或不必要的細(xì)節(jié)中學(xué)習(xí)，從而模型在新示例上的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。 

使用模型

通常使用 model.predict( )  函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 

優(yōu)化模型、重新構(gòu)建模型、訓(xùn)練模型、使用模型

這里的優(yōu)化模型，主要是針對(duì)模型出現(xiàn)“過(guò)擬合”的問(wèn)題。

過(guò)擬合

模型將過(guò)度擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在訓(xùn)練集上達(dá)到較高的準(zhǔn)確性，但在未見(jiàn)的數(shù)據(jù)（測(cè)試集）上得到比較低的準(zhǔn)確性；模型的“泛化能力”不足。

我們訓(xùn)練模型的主要目的，也是希望模型在未見(jiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)上能有較高的準(zhǔn)確性；解決過(guò)擬合問(wèn)題是比較重要的。

解決過(guò)擬合的思路

使用更完整的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。（最好的解決方案）

使用正則化之類的技術(shù)。

簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

使用更完整的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集應(yīng)涵蓋模型應(yīng)處理的所有輸入范圍。僅當(dāng)涉及新的有趣案例時(shí)，其他數(shù)據(jù)才有用。

比如：在訓(xùn)練集的花朵圖片都是近距離拍攝的，測(cè)試集的花朵有部分是遠(yuǎn)距離拍攝，訓(xùn)練出來(lái)的模型，自然在測(cè)試集的準(zhǔn)確度不高了；如果一開(kāi)始在訓(xùn)練集也包含部分遠(yuǎn)距離的花朵圖片，那么模型在測(cè)試集時(shí)準(zhǔn)確度會(huì)較高，基本和訓(xùn)練集的準(zhǔn)確度接近。

使用正規(guī)化等技術(shù)，這些限制了模型可以存儲(chǔ)的信息的數(shù)量和類型。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能記住少量的模式，優(yōu)化過(guò)程將迫使它專注于最突出的模式，這些模式更有可能很好地概括。

簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果訓(xùn)練集比較小，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又十分復(fù)雜，使得模型過(guò)度擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這時(shí)需要考慮簡(jiǎn)化模型了。減少一些神經(jīng)元數(shù)量，或減少一些網(wǎng)絡(luò)層。

結(jié)合上面的例子，使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)和正則化技術(shù)，來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)增強(qiáng)

通過(guò)對(duì)已有的訓(xùn)練集圖片 隨機(jī)轉(zhuǎn)換（反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、縮放等），來(lái)生成其它訓(xùn)練數(shù)據(jù)。這有助于將模型暴露在數(shù)據(jù)的更多方面，并更好地概括。

這里使用 tf.layers.experimental.preprocessing 層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增強(qiáng)。

data_augmentation = keras.Sequential(
  [
    layers.experimental.preprocessing.RandomFlip("horizontal", 
                                                 input_shape=(img_height, 
                                                              img_width,
                                                              3)),
    layers.experimental.preprocessing.RandomRotation(0.1),
    layers.experimental.preprocessing.RandomZoom(0.1),
  ]
)

RandomFlip（"horizontal", input_shape=(img_height,  img_width, 3)) 指定輸入圖片，并對(duì)圖片進(jìn)行隨機(jī)水平反轉(zhuǎn)

RandomRotation(0.1) 對(duì)圖片進(jìn)行隨機(jī)旋轉(zhuǎn)

RandomZoom(0.1)     對(duì)圖片進(jìn)行隨機(jī)縮放

通過(guò)將數(shù)據(jù)增強(qiáng)應(yīng)用到同一圖像中幾次來(lái)可視化幾個(gè)增強(qiáng)示例的外觀：

plt.figure(figsize=(10, 10))
for images, _ in train_ds.take(1):
  for i in range(9):
    augmented_images = data_augmentation(images)
    ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
    plt.imshow(augmented_images[0].numpy().astype("uint8"))
    plt.axis("off")