卷积神经网络————经典vggnet(二)

自制的数据文件夹是这个样子

 

 

 有三个文件夹，每个文件夹内都是相同的构造

 

 

 

from tensorflow.keras import layers, models, Model, Sequential
import tensorflow as tf
import os
import json
import matplotlib.pyplot as plt
import csv
from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator








#.........................第一部分先建立model...............................................................#


def VGG(feature, im_height=224, im_width=224, num_classes=1000):   #num_calsses可以改成你自己的类别
    # tensorflow中的tensor通道排序是NHWC
    input_image = layers.Input(shape=(im_height, im_width, 3), dtype="float32")
    x = feature(input_image)   #因为vggnet的卷积层十分规律，这里做了个for循环
    x = layers.Flatten()(x)
    x = layers.Dropout(rate=0.5)(x)
    x = layers.Dense(2048, activation='relu')(x)  #论文原作者使用的是4096，这里神经元的个数视数据集而定
    x = layers.Dropout(rate=0.5)(x)  #dropout层选择随机失活的比例可按训练结果修改
    x = layers.Dense(2048, activation='relu')(x)
    #x = layers.Dropout(rate=0.5)(x)   #这一层也可以加上dropout层，具体参考自己的训练结果
    x = layers.Dense(num_classes)(x)
    output = layers.Softmax()(x)
    model = models.Model(inputs=input_image, outputs=output)
    return model


def features(cfg):
    feature_layers = []
    for v in cfg:
        if v == "M":
            feature_layers.append(layers.MaxPool2D(pool_size=2, strides=2))  #最大池化下采样层，size=2*2,步长为2
        else:
            conv2d = layers.Conv2D(v, kernel_size=3, padding="SAME", activation="relu")
            feature_layers.append(conv2d)
    return Sequential(feature_layers, name="feature")


cfgs = {
    'vgg11': [64, 'M', 128, 'M', 256, 256, 'M', 512, 512, 'M', 512, 512, 'M'],
    'vgg13': [64, 64, 'M', 128, 128, 'M', 256, 256, 'M', 512, 512, 'M', 512, 512, 'M'],
    'vgg16': [64, 64, 'M', 128, 128, 'M', 256, 256, 256, 'M', 512, 512, 512, 'M', 512, 512, 512, 'M'],
    'vgg19': [64, 64, 'M', 128, 128, 'M', 256, 256, 256, 256, 'M', 512, 512, 512, 512, 'M', 512, 512, 512, 512, 'M'],
}


def vgg(model_name="vgg16", im_height=224, im_width=224, num_classes=1000):
    assert model_name in cfgs.keys(), "not support model {}".format(model_name)
    cfg = cfgs[model_name]
    model = VGG(features(cfg), im_height=im_height, im_width=im_width, num_classes=num_classes)
    return model
#。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。第二部分。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
'''
这次使用的是花分类的数据集，一种花一个文件夹，共分5类，文件夹见截图所示

'''
#################################加载自己的数据,以文件夹的形式###############################
data_root = r"d:\下载的文件"
#data_root = os.path.abspath(os.path.join(os.getcwd(), "../.."))  # get data root path
image_path = os.path.join(data_root, "flower_photos")  # flower data set path
train_dir = os.path.join(image_path, "train")
validation_dir = os.path.join(image_path, "val")
assert os.path.exists(train_dir), "cannot find {}".format(train_dir)
assert os.path.exists(validation_dir), "cannot find {}".format(validation_dir)
####################################################################################
# create direction for saving weights
if not os.path.exists("save_weights_flower"):
    os.makedirs("save_weights_flower")
#############################模型基本参数#######
im_height = 224
im_width = 224
batch_size = 16
epochs = 2
##############################################

# data generator with data augmentation
train_image_generator = ImageDataGenerator(rescale=1. / 255,
                                           horizontal_flip=True)
validation_image_generator = ImageDataGenerator(rescale=1. / 255)
'''

keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(featurewise_center=False,
                                              samplewise_center=False,
                                              featurewise_std_normalization = False,
                                              samplewise_std_normalization = False,
                                              zca_whitening = False,
                                              rotation_range = 0.,
                                              width_shift_range = 0.,
                                              height_shift_range = 0.,
                                              shear_range = 0.,
                                              zoom_range = 0.,
                                              channel_shift_range = 0.,
                                              fill_mode = 'nearest',
                                              cval = 0.0,
                                              horizontal_flip = False,
                                              vertical_flip = False,
                                              rescale = None,
                                              preprocessing_function = None,
                                              data_format = K.image_data_format())
featurewise_center：布尔值，使输入数据集去中心化（均值为0）, 按feature执行。

samplewise_center：布尔值，使输入数据的每个样本均值为0。

featurewise_std_normalization：布尔值，将输入除以数据集的标准差以完成标准化, 按feature执行。

samplewise_std_normalization：布尔值，将输入的每个样本除以其自身的标准差。

zca_whitening：布尔值，对输入数据施加ZCA白化。

rotation_range：整数，数据提升时图片随机转动的角度。随机选择图片的角度，是一个0~180的度数，取值为0~180。 在 [0, 指定角度] 范围内进行随机角度旋转。

width_shift_range：浮点数，图片宽度的某个比例，数据提升时图片随机水平偏移的幅度。

height_shift_range：浮点数，图片高度的某个比例，数据提升时图片随机竖直偏移的幅度。 height_shift_range和width_shift_range是用来指定水平和竖直方向随机移动的程度，这是两个0~1之间的比例。

shear_range：浮点数，剪切强度（逆时针方向的剪切变换角度）。是用来进行剪切变换的程度。

zoom_range：浮点数或形如[lower,upper]的列表，随机缩放的幅度，若为浮点数，则相当于[lower,upper] = [1 - zoom_range, 1+zoom_range]。用来进行随机的放大。（后面的例子与此处说法有矛盾，感觉后边是对的？）

channel_shift_range：浮点数，随机通道偏移的幅度。

fill_mode：‘constant'，‘nearest'，‘reflect'或‘wrap'之一，当进行变换时超出边界的点将根据本参数给定的方法进行处理

cval：浮点数或整数，当fill_mode=constant时，指定要向超出边界的点填充的值。

horizontal_flip：布尔值，进行随机水平翻转。随机的对图片进行水平翻转，这个参数适用于水平翻转不影响图片语义的时候。

vertical_flip：布尔值，进行随机竖直翻转。

rescale: 值将在执行其他处理前乘到整个图像上，我们的图像在RGB通道都是0~255的整数，这样的操作可能使图像的值过高或过低，所以我们将这个值定为0~1之间的数。

preprocessing_function: 将被应用于每个输入的函数。该函数将在任何其他修改之前运行。该函数接受一个参数，为一张图片（秩为3的numpy array），并且输出一个具有相同shape的numpy array                                          
                                              
                                              
                                              


'''
train_data_gen = train_image_generator.flow_from_directory(directory=train_dir,
                                                           batch_size=batch_size,
                                                           shuffle=True,
                                                           target_size=(im_height, im_width),
                                                           class_mode='categorical')
'''
flow_from_directory:
flow_from_directory(directory): 以文件夹路y径为参数,生成经过数据提升/归一化后的数据,在一个无限循环中无限产生batch数据

directory: 目标文件夹路径,对于每一个类,该文件夹都要包含一个子文件夹.子文件夹中任何JPG、PNG、BNP、PPM的图片都会被生成器使用.详情请查看此脚本
target_size: 整数tuple,默认为(256, 256). 图像将被resize成该尺寸
color_mode: 颜色模式,为"grayscale","rgb"之一,默认为"rgb".代表这些图片是否会被转换为单通道或三通道的图片.
classes: 可选参数,为子文件夹的列表,如['dogs','cats']默认为None. 若未提供,则该类别列表将从directory下的子文件夹名称/结构自动推断。每一个子文件夹都会被认为是一个新的类。(类别的顺序将按照字母表顺序映射到标签值)。通过属性class_indices可获得文件夹名与类的序号的对应字典。
class_mode: "categorical", "binary", "sparse"或None之一. 默认为"categorical. 该参数决定了返回的标签数组的形式, "categorical"会返回2D的one-hot编码标签,"binary"返回1D的二值标签."sparse"返回1D的整数标签,如果为None则不返回任何标签, 生成器将仅仅生成batch数据, 这种情况在使用model.predict_generator()和model.evaluate_generator()等函数时会用到.
batch_size: batch数据的大小,默认32
shuffle: 是否打乱数据,默认为True
seed: 可选参数,打乱数据和进行变换时的随机数种子
save_to_dir: None或字符串，该参数能让你将提升后的图片保存起来，用以可视化
save_prefix：字符串，保存提升后图片时使用的前缀, 仅当设置了save_to_dir时生效
save_format："png"或"jpeg"之一，指定保存图片的数据格式,默认"jpeg"
flollow_links: 是否访问子文件夹中的软链接
'''

total_train = train_data_gen.n

# get class dict
class_indices = train_data_gen.class_indices

# transform value and key of dict
inverse_dict = dict((val, key) for key, val in class_indices.items())
# write dict into json file
json_str = json.dumps(inverse_dict, indent=4)
with open('class_indices.json', 'w') as json_file:
    json_file.write(json_str)

val_data_gen = validation_image_generator.flow_from_directory(directory=validation_dir,
                                                              batch_size=batch_size,
                                                              shuffle=False,
                                                              target_size=(im_height, im_width),
                                                              class_mode='categorical')
total_val = val_data_gen.n
print("using {} images for training, {} images for validation.".format(total_train,
                                                                       total_val))

model = vgg("vgg16", 224, 224, 5)
model.summary()

checkpoint_save_path = "./save_weights_flower/myVGG16.ckpt"
if os.path.exists(checkpoint_save_path + '.index'):
    print('-------------load the model-----------------')
    model.load_weights(checkpoint_save_path)
# using keras high level api for training
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.0001),
              loss=tf.keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=False),
              metrics=["accuracy"])

callbacks = [tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath=checkpoint_save_path,
                                                save_best_only=True,
                                                save_weights_only=True,
                                                monitor='val_loss')]

# tensorflow2.1 recommend to using fit

history = model.fit(x=train_data_gen,
                    steps_per_epoch=total_train // batch_size,
                    epochs=epochs,
                    validation_data=val_data_gen,
                    validation_steps=total_val // batch_size,
                    callbacks=callbacks)
acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

file='./flower_history.csv'

with open(file,'a',encoding='utf-8',newline='')as f:
    writer=csv.writer(f)
    writer.writerow(['acc','val_acc','loss','val_loss'])
    for i in range(len(acc)):
        writer.writerow([acc[i], val_acc[i], loss[i], val_loss[i]])





plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.legend()

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(loss, label='Training Loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation Loss')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.legend()
plt.show()