熱文 | 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡入門案例，輕松實現(xiàn)花朵分類（2）

構建模型

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

特征提取——卷積層與池化層

實現(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) 分別對應 RGB 的三個顏色通道，即：image_height 和 image_width 根據(jù)圖像的像素高度、寬度決定color_channels是3，對應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)
])

該模型由三個卷積塊組成，每個卷積塊中包括2D卷積層+最大池化層。最后有一個全連接層，有128個單元，可以通過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)絡模型：tf.keras.utils.plot_model(model) ，或者用這樣方式看看：model.summary()

訓練模型

這里我們輸入準備好的訓練集數(shù)據(jù)（包括圖像、對應的標簽），測試集的數(shù)據(jù)（包括圖像、對應的標簽），模型一共訓練10次。

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

下圖是訓練過程的截圖：

通常loss越小越好，對了解釋下什么是loss；簡單來說是 模型預測值 和 真實值 的相差的值，反映模型預測的結果和真實值的相差程度；通常準確度accuracy 越高，模型效果越好。

評估模型

在訓練和驗證集上創(chuàng)建損失和準確性圖。

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，訓練精度和驗證精度相差很大，模型僅在驗證集上獲得了約60％的精度。

訓練精度隨時間增長，而驗證精度在訓練過程中停滯在60％左右。訓練和驗證準確性之間的準確性差異很明顯，這是過擬合的標志。

可能過擬合出現(xiàn)的原因 ：當訓練示例數(shù)量很少時，像這次的只有3000多張圖片，該模型有時會從訓練示例中的噪音或不必要的細節(jié)中學習，從而模型在新示例上的性能產(chǎn)生負面影響。 

使用模型

通常使用 model.predict( )  函數(shù)進行預測。 

優(yōu)化模型、重新構建模型、訓練模型、使用模型

這里的優(yōu)化模型，主要是針對模型出現(xiàn)“過擬合”的問題。

過擬合

模型將過度擬合訓練數(shù)據(jù)，在訓練集上達到較高的準確性，但在未見的數(shù)據(jù)（測試集）上得到比較低的準確性；模型的“泛化能力”不足。

我們訓練模型的主要目的，也是希望模型在未見數(shù)據(jù)的預測上能有較高的準確性；解決過擬合問題是比較重要的。

解決過擬合的思路

使用更完整的訓練數(shù)據(jù)。（最好的解決方案）

使用正則化之類的技術。

簡化神經(jīng)網(wǎng)絡結構。

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

比如：在訓練集的花朵圖片都是近距離拍攝的，測試集的花朵有部分是遠距離拍攝，訓練出來的模型，自然在測試集的準確度不高了；如果一開始在訓練集也包含部分遠距離的花朵圖片，那么模型在測試集時準確度會較高，基本和訓練集的準確度接近。

使用正規(guī)化等技術，這些限制了模型可以存儲的信息的數(shù)量和類型。如果一個網(wǎng)絡只能記住少量的模式，優(yōu)化過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。

簡化神經(jīng)網(wǎng)絡結構，如果訓練集比較小，網(wǎng)絡結構又十分復雜，使得模型過度擬合訓練數(shù)據(jù)，這時需要考慮簡化模型了。減少一些神經(jīng)元數(shù)量，或減少一些網(wǎng)絡層。

結合上面的例子，使用數(shù)據(jù)增強和正則化技術，來優(yōu)化網(wǎng)絡。

數(shù)據(jù)增強

通過對已有的訓練集圖片 隨機轉(zhuǎn)換（反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、縮放等），來生成其它訓練數(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 層實現(xiàn)數(shù)據(jù)增強。

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，并對圖片進行隨機水平反轉(zhuǎn)

RandomRotation(0.1) 對圖片進行隨機旋轉(zhuǎn)

RandomZoom(0.1)     對圖片進行隨機縮放

通過將數(shù)據(jù)增強應用到同一圖像中幾次來可視化幾個增強示例的外觀：

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")