CNN基础一：从头开始训练CNN进行图像分类（猫狗大战为例）

本文旨在总结一次从头开始训练CNN进行图像分类的完整过程（猫狗大战为例，使用Keras框架），免得经常遗忘。流程包括：

• 从Kaggle下载猫狗数据集；
• 利用python的os、shutil库，制作训练集和测试集；
• 快速开发一个小模型作为基准；（只要效果比随机猜略好即可，通常需要有一点过拟合）
• 根据基准表现进行改进，比如针对过拟合的图像增强、正则化等。

1 从Kaggle下载猫狗数据集

具体可参考

2 制作数据集

从Kaggle下载的猫狗数据集大概八百多兆，其中训练集包含25000张猫狗图，两类数量各占一半。为了快速上手项目，可以从原始训练集中抽取一部分数据，来制作本次项目的数据集D，其中包含三个子集：两个类别各1000个样本的训练集（构造一个平衡的二分类问题），两个类别各500个样本的验证集，两个类别各500个样本的测试集。代码如下：

"""
代码功能：在目标文件夹下建立三个子文件夹（train、validation、test），在每个子文件夹下再分别建立两个子文件夹（cats、dogs），以存放从原始训练集中抽取的图像
"""
import os, shutil

original_dataset_dir = r'D:\KaggleDatasets\competitions\dogs-vs-cats\train' #在我磁盘上解压的文件夹
base_dir = r'D:\KaggleDatasets\MyDatasets\dogs-vs-cats-small'  #在我磁盘上的目标文件夹

##############以下是创建文件夹并复制图像#######################
#创建训练集文件夹
train_cats_dir = os.path.join(base_dir, 'train\cats')
train_dogs_dir = os.path.join(base_dir, 'train\dogs')
os.makedirs(train_cats_dir)  
os.makedirs(train_dogs_dir) #与os.mkdir的区别是会自动创建中间路径；若文件夹已存在，则都会报错

#创建验证集文件夹
validation_cats_dir = os.path.join(base_dir, 'validation\cats')
validation_dogs_dir = os.path.join(base_dir, 'validation\dogs')
os.makedirs(validation_cats_dir)
os.makedirs(validation_dogs_dir)

#创建测试集文件夹
test_cats_dir = os.path.join(base_dir, 'test\cats')
test_dogs_dir = os.path.join(base_dir, 'test\dogs')
os.makedirs(test_cats_dir)
os.makedirs(test_dogs_dir)

#将原始训练集中前1000张猫图复制到train_cats_dir
fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000)] #前1000张猫图名称列表
for fname in fnames:
    scr = os.path.join(original_dataset_dir, fname)
    dst = os.path.join(train_cats_dir, fname)
    shutil.copyfile(scr, dst)
    
#将之后的500张猫图复制到validation_cats_dir
fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000, 1500)]
for fname in fnames:
    scr = os.path.join(original_dataset_dir, fname)
    dst = os.path.join(validation_cats_dir, fname)
    shutil.copyfile(scr, dst)
    
#将再之后的500张猫图复制到test_cats_dir
fnames = ['cat.{}.jpg'.format(i) for i in range(1500, 2000)]
for fname in fnames:
    scr = os.path.join(original_dataset_dir, fname)
    dst = os.path.join(test_cats_dir, fname)
    shutil.copyfile(scr, dst)
    
#同理，对狗狗图做同样处理
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000)]
for fname in fnames:
    scr = os.path.join(original_dataset_dir, fname)
    dst = os.path.join(train_dogs_dir, fname)
    shutil.copyfile(scr, dst)
    
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1000, 1500)]
for fname in fnames:
    scr = os.path.join(original_dataset_dir, fname)
    dst = os.path.join(validation_dogs_dir, fname)
    shutil.copyfile(scr, dst)
    
fnames = ['dog.{}.jpg'.format(i) for i in range(1500, 2000)]
for fname in fnames:
    scr = os.path.join(original_dataset_dir, fname)
    dst = os.path.join(test_dogs_dir, fname)
    shutil.copyfile(scr, dst)

3 快速开发基准模型

面对一个任务，通常需要快速验证想法，并不断迭代。因此开发基准模型通常需要快速，模型能跑起来，效果比随机猜测好一些就行，不用太在意细节。至于正则化、图像增强、参数选取等操作，后续会根据需要来进行。

####################模型搭建与编译#################################
from keras.models import Model
from keras.layers import Input, Dense, Conv2D, MaxPooling2D, Flatten, Dropout

def build_model():
    input = Input(shape=(150, 150, 3))
    X = Conv2D(32, (3,3), activation='relu')(input)
    X = MaxPooling2D((2,2))(X)
    X = Conv2D(64, (3,3), activation='relu')(X)
    X = MaxPooling2D((2,2))(X)
    X = Conv2D(128, (3,3), activation='relu')(X)
    X = MaxPooling2D((2,2))(X)
    X = Conv2D(128, (3,3), activation='relu')(X)
    X = MaxPooling2D((2,2))(X)
    X = Flatten()(X)
    X = Dense(512, activation='relu')(X)
    X = Dense(1, activation='sigmoid')(X)
    model = Model(inputs=input, outputs=X)
    return model

model = build_model()
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
#model.summary()


#########使用图像生成器读取文件中数据（内存一次无法加载全部图像）###########
#ImageDataGenerator就像一个把文件中图像转换成所需格式的转接头，通常先定制一个转接头train_datagen，它可以根据需要对图像进行各种变换，然后再把它怼到文件中（flow方法是怼到array中），约定好出来数据的格式（比如图像的大小、每次出来多少样本、样本标签的格式等等）。这里出来的train_generator是个（X,y）元组，X的shape为(20,150,150,3)，y的shape为(20,)
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator

train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255) #之后可能会在这里进行图像增强
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255) #注意验证集不可用图像增强

batch_size = 20
train_dir = r'D:\KaggleDatasets\MyDatasets\dogs-vs-cats-small\train'
validation_dir = r'D:\KaggleDatasets\MyDatasets\dogs-vs-cats-small\validation'
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(train_dir, target_size=(150,150),
           batch_size=batch_size,class_mode='binary')
validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(validation_dir, 
           target_size=(150,150), batch_size=batch_size, class_mode='binary')


#######################开始训练####################################
epochs = 100
steps_per_epoch = 2000 / batch_size
validation_steps = 1000 / batch_size
H = model.fit_generator(train_generator, 
                        epochs=epochs, 
                        steps_per_epoch=steps_per_epoch,
                        validation_data=validation_generator,
                        validation_steps=validation_steps)

#保存模型
model.save('cats_and_dogs_small_1.h5')
print("The trained model has been saved.")

##模型评估
test_dir = r'D:\KaggleDatasets\MyDatasets\dogs-vs-cats-small\test'
test_generator = test_datagen.flow_from_directory(test_dir,
                target_size=(150,150), batch_size=20, class_mode='binary')
score = model.evaluate_generator(test_generator, steps=50)
print("测试损失为：{:.4f}".format(score[0]))
print("测试准确率为：{:.4f}".format(score[1]))


######################结果可视化#############################
import matplotlib.pyplot as plt

loss = H.history['loss']
acc = H.history['acc']
val_loss = H.history['val_loss']
val_acc = H.history['val_acc']
epoch = range(1, len(loss)+1)

fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(10,4))
ax[0].plot(epoch, loss, label='Train loss')
ax[0].plot(epoch, val_loss, label='Validation loss')
ax[0].set_xlabel('Epochs')
ax[0].set_ylabel('Loss')
ax[0].legend()
ax[1].plot(epoch, acc, label='Train acc')
ax[1].plot(epoch, val_acc, label='Validation acc')
ax[1].set_xlabel('Epochs')
ax[1].set_ylabel('Accuracy')
ax[1].legend()
plt.show()

训练结果如下图所示，很明显模型上来就过拟合了，主要原因是数据不够，或者说相对于数据量，模型过复杂（训练损失在第15个epoch就降为0了）。

4 根据基准模型进行调整

为了解决过拟合问题，可以减小模型复杂度，也可以用一系列手段去对冲，比如增加数据（图像增强、人工合成或者多搜集真实数据）、L1/L2正则化、dropout正则化等。这里主要介绍CV中最常用的图像增强。

4.1 图像增强方法

在Keras中，可以利用图像生成器很方便地定义一些常见的图像变换。将变换后的图像送入训练之前，可以按变换方法逐个看看变换的效果。代码如下：

#######################查看数据增强效果#########################
from keras.preprocessing import image
import numpy as np

#定义一个图像生成器
datagen = ImageDataGenerator(
            rotation_range=40, 
            width_shift_range=0.2, 
            height_shift_range=0.2,  
            shear_range=0.2, 
            zoom_range=0.2, 
            horizontal_flip=True, 
            fill_mode='nearest')

#生成所有猫图的路径列表
train_cats_dir = os.path.join(train_dir, 'cats')
fnames = [os.path.join(train_cats_dir, fname) for fname in os.listdir(train_cats_dir)]

#选一张图片，包装成(batches, 150, 150, 3)格式
img_path = fnames[1] 
img = image.load_img(img_path, target_size=(150,150)) #读入一张图像
x_aug = image.img_to_array(img) #将图像格式转为array格式
x_aug = np.expand_dims(x_aug, axis=0) #(1, 150, 150, 3) array格式

#对选定的图片进行增强，并查看效果
fig = plt.figure(figsize=(8,8))
k = 1
for batch in datagen.flow(x_aug, batch_size=1):  #注意生成器的使用方式
    ax = fig.add_subplot(3, 3, k)
    ax.imshow(image.array_to_img(batch[0])) #当x_aug中样本个数只有一个时，即便batch_size=4，也只能获得一个样本，所以batch[1]会出错
    k += 1
    if k > 9:
        break

效果如下：

4.2 模型调整方法

这里暂时先采用两种方法进行改进：一是将这几种选定的图像增强方法添加进训练集的生成器中（train_datagen）；二是在模型结构中加入一层Dropout（在Flatten层后加上 Dropout(0.5)）。调整并重新训练后发现30个epoch还不够，损失函数还在持续下降，于是改为100个epoch。重新训练后的结果如图所示。可以看出，准确率由基准的67%提高到82%，进一步调整模型还可以提升到86%左右。但是进一步就再难以继续提升了，因为数据太少，且模型比较粗糙，下一节我们会采取其他更有效的措施。

5 知识点小结

• 如何从Kaggle上下载公开数据集；
• 如何根据原始图像制作小型数据集；
• 如何使用图像生成器读取文件中图片，并送入训练；
• 如何进行数据增强，并查看增强的效果；
• 如何将训练结果可视化。

另外，关于CNN模型的架构，通常有一些经验：

• 从前往后，特征图需要适当的下采样。一方面减少参数，另一方面也可以增大后侧特征图像素的感受野。
• 下采样的方法可以采用带步长的卷积、平均池化或最大池化，但最大池化往往比前两种方法好，因为CNN的本质就在于用卷积核中的特征去匹配前一层的图像或特征图，前两种方法可能会错过或淡化特征是否存在的信息。

Reference

Python深度学习