热文 | 卷积神经网络入门案例，轻松实现花朵分类（1）

前言

本文介绍卷积神经网络的入门案例，通过搭建和训练一个模型，来对几种常见的花朵进行识别分类；使用到TF的花朵数据集，它包含5类，即：“雏菊”，“蒲公英”，“玫瑰”，“向日葵”，“郁金香”；共 3670 张彩色图片；通过搭建和训练卷积神经网络模型，对图像进行分类，能识别出图像是“蒲公英”，或“玫瑰”，还是其它。

本篇文章主要的意义是带大家熟悉卷积神经网络的开发流程，包括数据集处理、搭建模型、训练模型、使用模型等；更重要的是解在训练模型时遇到“过拟合”，如何解决这个问题，从而得到“泛化”更好的模型。

思路流程

• 导入数据集

• 探索集数据，并进行数据预处理

• 构建模型（搭建神经网络结构、编译模型）

• 训练模型（把数据输入模型、评估准确性、作出预测、验证预测）  

• 使用训练好的模型

• 优化模型、重新构建模型、训练模型、使用模型

目录

• 导入数据集

• 探索集数据，并进行数据预处理

• 构建模型

• 训练模型

• 使用模型

• 优化模型、重新构建模型、训练模型、使用模型（过拟合、数据增强、正则化、重新编译和训练模型、预测新数据）

导入数据集

使用到TF的花朵数据集，它包含5类，即：“雏菊”，“蒲公英”，“玫瑰”，“向日葵”，“郁金香”；共 3670 张彩色图片；数据集包含5个子目录，每个子目录种存放一个类别的花朵图片。

# 下载数据集
import pathlib
dataset_url = "https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz"
data_dir = tf.keras.utils.get_file('flower_photos', origin=dataset_url, untar=True)
data_dir = pathlib.Path(data_dir)
# 查看数据集图片的总数量
image_count = len(list(data_dir.glob('*/*.jpg')))
print(image_count)

探索集数据，并进行数据预处理

查看一张郁金香的图片： 

# 查看郁金香tulips目录下的第1张图片；
tulips = list(data_dir.glob('tulips/*'))
PIL.Image.open(str(tulips[0]))

加载数据集的图片，使用keras.preprocessing从磁盘上加载这些图像。

# 定义加载图片的一些参数，包括：批量大小、图像高度、图像宽度
batch_size = 32
img_height = 180
img_width = 180
# 将80％的图像用于训练
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)
# 将20％的图像用于验证
val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
  data_dir,
  validation_split=0.2,
  subset="validation",
  seed=123,
  image_size=(img_height, img_width),
  batch_size=batch_size)
# 打印数据集中花朵的类别名称，字母顺序对应于目录名称
class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

查看一下训练数据集中的9张图像

# 查看一下训练数据集中的9张图像
import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure(figsize=(10, 10))
for images, labels in train_ds.take(1):
  for i in range(9):
    ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
    plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
    plt.title(class_names[labels[i]])
    plt.axis("off")

图像形状

传递这些数据集来训练模型model.fit，可以手动遍历数据集并检索成批图像：

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

能看到输出：(32, 180, 180, 3)   (32,)

image_batch是图片形状的张量(32, 180, 180, 3)。32是指批量大小；180，180分别表示图像的高度、宽度，3是颜色通道RGB。32张图片组成一个批次。

label_batch是形状的张量(32,)，对应32张图片的标签。

数据集预处理

下面进行数据集预处理，将像素的值标准化至0到1的区间内：

# 将像素的值标准化至0到1的区间内。
normalization_layer = layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./255)

为什么是除以255呢？由于图片的像素范围是0~255，我们把它变成0~1的范围，于是每张图像（训练集、测试集）都除以255。

标准化数据

# 调用map将其应用于数据集：
normalized_ds = train_ds.map(lambda x, y: (normalization_layer(x), y))
image_batch, labels_batch = next(iter(normalized_ds))
first_image = image_batch[0]
# Notice the pixels values are now in `[0,1]`.
print(np.min(first_image), np.max(first_image))