人工智能開發(fā)：微調模型來完成圖像的分類任務

微調的原理

如何在只有6萬張圖像的MNIST訓練數(shù)據(jù)集上訓練模型。學術界當下使用最廣泛的大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)集ImageNet，它有超過1,000萬的圖像和1,000類的物體。然而，我們平常接觸到數(shù)據(jù)集的規(guī)模通常在這兩者之間。假設我們想從圖像中識別出不同種類的椅子，然后將購買鏈接推薦給用戶。一種可能的方法是先找出100種常見的椅子，為每種椅子拍攝1,000張不同角度的圖像，然后在收集到的圖像數(shù)據(jù)集上訓練一個分類模型。另外一種解決辦法是應用遷移學習(transfer learning)，將從源數(shù)據(jù)集學到的知識遷移到目標數(shù)據(jù)集上。例如，雖然ImageNet數(shù)據(jù)集的圖像大多跟椅子無關，但在該數(shù)據(jù)集上訓練的模型可以抽取較通用的圖像特征，從而能夠幫助識別邊緣、紋理、形狀和物體組成等。這些類似的特征對于識別椅子也可能同樣有效。

微調由以下4步構成。

1.在源數(shù)據(jù)集(如ImageNet數(shù)據(jù)集)上預訓練一個神經(jīng)網(wǎng)絡模型，即源模型。

2.創(chuàng)建一個新的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，即目標模型。它復制了源模型上除了輸出層外的所有模型設計及其參數(shù)。我們假設這些模型參數(shù)包含了源數(shù)據(jù)集上學習到的知識，且這些知識同樣適用于目標數(shù)據(jù)集。我們還假設源模型的輸出層跟源數(shù)據(jù)集的標簽緊密相關，因此在目標模型中不予采用。

3.為目標模型添加一個輸出大小為目標數(shù)據(jù)集類別個數(shù)的輸出層，并隨機初始化該層的模型參數(shù)。

4.在目標數(shù)據(jù)集(如椅子數(shù)據(jù)集)上訓練目標模型。我們將從頭訓練輸出層，而其余層的參數(shù)都是基于源模型的參數(shù)微調得到的。

當目標數(shù)據(jù)集遠小于源數(shù)據(jù)集時，微調有助于提升模型的泛化能力。

熱狗模型

接下來我們利用微調模型來實踐一個具體的例子：熱狗識別。將基于一個小數(shù)據(jù)集對在ImageNet數(shù)據(jù)集上訓練好的ResNet模型進行微調。該小數(shù)據(jù)集含有數(shù)千張熱狗或者其他事物的圖像。我們將使用微調得到的模型來識別一張圖像中是否包含熱狗。

首先，導入實驗所需的工具包。

import tensorflow as tf
import numpy as np

獲取數(shù)據(jù)集

我們首先將數(shù)據(jù)集放在路徑hotdog/data之下:

每個類別文件夾里面是圖像文件。

上一節(jié)中我們介紹了ImageDataGenerator進行圖像增強，我們可以通過以下方法讀取圖像文件，該方法以文件夾路徑為參數(shù),生成經(jīng)過圖像增強后的結果，并產(chǎn)生batch數(shù)據(jù)：

flow_from_directory(self, directory,
                            target_size=(256, 256), color_mode='rgb',
                            classes=None, class_mode='categorical',
                            batch_size=32, shuffle=True, seed=None,
                            save_to_dir=None）

主要參數(shù)：

directory: 目標文件夾路徑，對于每一個類對應一個子文件夾，該子文件夾中任何JPG、PNG、BNP、PPM的圖片都可以讀取。

target_size: 默認為(256, 256)，圖像將被resize成該尺寸。

batch_size: batch數(shù)據(jù)的大小，默認32。

shuffle: 是否打亂數(shù)據(jù)，默認為True。

我們創(chuàng)建兩個tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator實例來分別讀取訓練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集中的所有圖像文件。將訓練集圖片全部處理為高和寬均為224像素的輸入。此外，我們對RGB(紅、綠、藍)三個顏色通道的數(shù)值做標準化。

# 獲取數(shù)據(jù)集
import pathlib
train_dir = 'transferdata/train'
test_dir = 'transferdata/test'
# 獲取訓練集數(shù)據(jù)
train_dir = pathlib.Path(train_dir)
train_count = len(list(train_dir.glob('*/*.jpg')))
# 獲取測試集數(shù)據(jù)
test_dir = pathlib.Path(test_dir)
test_count = len(list(test_dir.glob('*/*.jpg')))
# 創(chuàng)建imageDataGenerator進行圖像處理
image_generator = tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(rescale=1./255)
# 設置參數(shù)
BATCH_SIZE = 32
IMG_HEIGHT = 224
IMG_WIDTH = 224
# 獲取訓練數(shù)據(jù)
train_data_gen = image_generator.flow_from_directory(directory=str(train_dir),
                                                    batch_size=BATCH_SIZE,
                                                    target_size=(IMG_HEIGHT, IMG_WIDTH),
                                                    shuffle=True)
# 獲取測試數(shù)據(jù)
test_data_gen = image_generator.flow_from_directory(directory=str(test_dir),
                                                    batch_size=BATCH_SIZE,
                                                    target_size=(IMG_HEIGHT, IMG_WIDTH),
                                                    shuffle=True)

下面我們隨機取1個batch的圖片然后繪制出來。

import matplotlib.pyplot as plt
# 顯示圖像
def show_batch(image_batch, label_batch):
    plt.figure(figsize=(10,10))
    for n in range(15):
        ax = plt.subplot(5,5,n+1)
        plt.imshow(image_batch[n]）
        plt.axis('off')
# 隨機選擇一個batch的圖像        
image_batch, label_batch = next(train_data_gen)
# 圖像顯示
show_batch(image_batch, label_batch)

模型構建與訓練

我們使用在ImageNet數(shù)據(jù)集上預訓練的ResNet-50作為源模型。這里指定weights='imagenet'來自動下載并加載預訓練的模型參數(shù)。在第一次使用時需要聯(lián)網(wǎng)下載模型參數(shù)。

Keras應用程序(keras.applications)是具有預先訓練權值的固定架構，該類封裝了很多重量級的網(wǎng)絡架構，如下圖所示：

實現(xiàn)時實例化模型架構：

tf.keras.applications.ResNet50(
    include_top=True, weights='imagenet', input_tensor=None, input_shape=None,
    pooling=None, classes=1000, **kwargs)

主要參數(shù)：

include_top: 是否包括頂層的全連接層。

weights: None 代表隨機初始化， 'imagenet' 代表加載在 ImageNet 上預訓練的權值。

input_shape: 可選，輸入尺寸元組，僅當 include_top=False 時有效，否則輸入形狀必須是 (224, 224, 3)(channels_last 格式)或 (3, 224, 224)(channels_first 格式)。它必須為 3 個輸入通道，且寬高必須不小于 32，比如 (200, 200, 3) 是一個合法的輸入尺寸。

在該案例中我們使用resNet50預訓練模型構建模型：

# 加載預訓練模型
ResNet50 = tf.keras.applications.ResNet50(weights='imagenet', input_shape=(224,224,3))
# 設置所有層不可訓練
for layer in ResNet50.layers:
    layer.trainable = False
# 設置模型
net = tf.keras.models.Sequential()
# 預訓練模型
net.add(ResNet50)
# 展開
net.add(tf.keras.layers.Flatten())
# 二分類的全連接層
net.add(tf.keras.layers.Dense(2, activation='softmax'))

接下來我們使用之前定義好的ImageGenerator將訓練集圖片送入ResNet50進行訓練。

# 模型編譯：指定優(yōu)化器，損失函數(shù)和評價指標
net.compile(optimizer='adam',
            loss='categorical_crossentropy',
            metrics=['accuracy'])
# 模型訓練：指定數(shù)據(jù)，每一個epoch中只運行10個迭代，指定驗證數(shù)據(jù)集
history = net.fit(
                    train_data_gen,
                    steps_per_epoch=10,
                    epochs=3,
                    validation_data=test_data_gen,
                    validation_steps=10
                    )

Epoch 1/3
10/10 [==============================] - 28s 3s/step - loss: 0.6931 - accuracy: 0.5031 - val_loss: 0.6930 - val_accuracy: 0.5094
Epoch 2/3
10/10 [==============================] - 29s 3s/step - loss: 0.6932 - accuracy: 0.5094 - val_loss: 0.6935 - val_accuracy: 0.4812
Epoch 3/3
10/10 [==============================] - 31s 3s/step - loss: 0.6935 - accuracy: 0.4844 - val_loss: 0.6933 - val_accuracy: 0.4875