各位同學好，今天和大家分享一下使用 Tensorflow 構建 DenseNet 卷積神經網絡模型，并使用預訓練模型的權重，完成對四種天氣圖片的分類。

完整代碼在我的 Gitee 中，有需要的自取：

https://gitee.com/dgvv4/image-classification/tree/master

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1. DenseNet

1. 網絡介紹

DenseNet 采用密集連接機制，即互相連接的所有層，每個層都會與前面所有層在通道維度上堆疊（layers.Concate），實現特征重用，作為下一層的輸入。這樣，不但緩解了梯度消失的現象，也使其可以在參與計算量更少的情況下實現比 ResNet 更優的性能。

DenseNet 的密集連接方式需要特征圖大小保持一致，所以 DenseNet 網絡中使用 DenseBlock + Transition 的結構。DenseBlock 是包含很多層的模塊，每個層特征圖大小相同，層與層之間采用密集連接方式。Transition模塊是連接兩個相鄰的DenseBlock，并且通過池化層完成下采樣。

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1.2 DenseBlock代碼復現

假定輸入層的特征圖的通道數為 k0，且DenseBlock中各層卷積輸出特征圖的通道數為 k。那么第L層的輸入特征圖的通道數是 k0+(L-1)k，我們將k成為網絡的增長率（growth_rate）

因為每一層都接收前面的所有層的特征圖，即特征傳遞方式是直接將前面所有層的特征圖堆疊（layers.Concate）傳到下一層。

DenseBlock 采用激活函數在前，卷積層在后的順序，即BN+ReLU+Conv的順序，在DenseNet中該排序方法網絡的性能較好。

DenseBlock 內部采用了1*1卷積減少參數量，將前面層的堆疊的通道數下降為4*k個，降低特征輸了，提高計算效率。

代碼展示：

#（1）構建一個dense單元
def DenseLayer(x, growth_rate, dropout_rate=0.2):# BN+激活+1*1卷積降維x = layers.BatchNormalization()(x)x = layers.Activation('relu')(x)x = layers.Conv2D(filters = growth_rate*4,  # 降低特征圖數量kernel_size = (1,1),strides = 1,padding = 'same')(x)# BN+激活+3*3卷積x = layers.BatchNormalization()(x)x = layers.Activation('relu')(x)x = layers.Conv2D(filters = growth_rate,kernel_size = (3,3),strides = 1,padding = 'same')(x)# 隨機殺死神經元x = layers.Dropout(rate = dropout_rate)(x)return x#（2）構建DenseBlock的多個卷積組合在一起的卷積塊
def DenseBlock(x, num, growth_rate):# 重復執行多少次DenseLayerfor _ in range(num):conv = DenseLayer(x, growth_rate)# 將前面所有層的特征堆疊后傳到下一層x = layers.Concatenate()([x, conv])return x

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1.3 Transition 代碼展示

Transition 模塊主要連接兩個相鄰的 DenseBlock，并下采樣降低特征圖的size，壓縮模型。Transition層包含一個1*1卷積層和2*2平均池化層。

#（3）Transition層連接兩個相鄰的DenseBlock
def Transition(x, compression_rate=0.5):# 1*1卷積下降一半的通道數out_channel = int(x.shape[-1] * compression_rate)# BN+激活+1*1卷積+2*2平均池化x = layers.BatchNormalization()(x)x = layers.Activation('relu')(x)x = layers.Conv2D(filters = out_channel,  # 輸出通道數kernel_size = (1,1),strides = 1,padding = 'same')(x)x = layers.AveragePooling2D(pool_size = (2,2),strides = 2,  # 下采樣padding = 'same')(x)return x

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1.4 構造主干網絡

網絡結構圖如下，我以 DenseNet121 為例構建網絡骨干。?

#（4）主干網絡架構
def densenet(input_shape, classes, growth_rate, include_top):# 構造輸入層[224,224,3]inputs = keras.Input(shape=input_shape)# 卷積下采樣[224,224,3]==>[112,112,64]x = layers.Conv2D(filters = 2*growth_rate,  # 輸出特征圖個數為兩倍增長率kernel_size = (7,7),strides = 2,padding = 'same')(inputs)x = layers.BatchNormalization()(x)x = layers.Activation('relu')(x)# 最大池化[112,112,64]==>[56,56,64]x = layers.MaxPooling2D(pool_size = (3,3), strides = 2, padding = 'same')(x)# [56,56,64]==>[56,56,64+6*32]x = DenseBlock(x, num=6,  growth_rate=growth_rate)# [56,56,256]==>[28,28,128]x = Transition(x)# [28,28,128]==>[28,28,128+12*32]x = DenseBlock(x, num=12, growth_rate=growth_rate)# [28,28,512]==>[14,14,256]x = Transition(x)# [14,14,256]==>[14,14,256+24*32]x = DenseBlock(x, num=24, growth_rate=growth_rate)# [14,14,1024]==>[7,7,512]x = Transition(x)# [7,7,512]==>[7,7,512+16*32]x = DenseBlock(x, num=16, growth_rate=growth_rate)# 導入模型時，是否包含輸出層if include_top is True:# [7,7,1024]==>[None,1024]x = layers.GlobalAveragePooling2D()(x)# [None,1024]==>[None,classes]x = layers.Dense(classes)(x)  # 不經過softmax層轉換成概率# 構造模型model = Model(inputs, x)return model#（5）接收網絡模型
if __name__ == '__main__':model = densenet(input_shape=[224,224,3],  # 輸入圖像的shapeclasses = 1000,  # 分類數growth_rate = 32,  # 設置增長率，即每個dense模塊的輸出通道數include_top = True)  # 默認包含輸出層model.summary()  # 查看網絡架構

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2. 網絡訓練

2.1 加載數據集

函數 tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory() 構造數據集，

分批次讀取圖片數據，參數 img_size 會對讀進來的圖片resize成指定大小；參數 label_mode 中，'int'代表目標值y是數值類型索引，即0, 1, 2, 3等；'categorical'代表onehot類型，對應正確類別的索引的值為1，如圖像屬于第二類則表示為0,1,0,0,0；'binary'代表二分類。

#（1）加載數據集
def get_data(height, width, batchsz):# 訓練集數據train_ds = keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(directory = filepath + 'train',  # 訓練集圖片所在文件夾label_mode = 'categorical',  # onehot編碼image_size = (height, width),  # 輸入圖象的sizebatch_size = batchsz)  # 每批次訓練32張圖片# 驗證集數據val_ds = keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(directory = filepath + 'val', label_mode = 'categorical', image_size = (height, width),  batch_size = batchsz)  # 返回劃分好的數據集return train_ds, val_ds# 讀取數據集
train_ds, val_ds = get_data(height, width, batchsz) #（2）查看數據集信息
def check_data(train_ds):  # 傳入訓練集數據集# 查看數據集有幾個分類類別class_names = train_ds.class_namesprint('classNames:', class_names)# 查看數據集的shape, x代表圖片數據, y代表分類類別數據sample = next(iter(train_ds))  # 生成迭代器,每次取出一個batch的數據print('x_batch.shape:', sample[0].shape, 'y_batch.shape:', sample[1].shape)print('前五個目標值:', sample[1][:5])# 是否查看數據集信息
if checkData is True:check_data(train_ds)#（3）查看圖像
def plot_show(train_ds):# 生成迭代器,每次取出一個batch的數據sample = next(iter(train_ds))  # sample[0]圖像信息, sample[1]標簽信息# 顯示前5張圖for i in range(5):plt.subplot(1,5,i+1)  # 在一塊畫板的子畫板上繪制1行5列plt.imshow(sample[0][i]/255.0)  # 圖像的像素值壓縮到0-1plt.xticks([])  # 不顯示xy坐標刻度plt.yticks([])plt.show()# 是否展示圖像信息
if plotShow is True:plot_show(train_ds)

天氣圖片如下：

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2.2 預處理改進

本篇使用遷移學習的方法，使用 DenseNet121 預訓練模型的權重訓練網絡，大體流程和上一篇文章的非遷移學習訓練方法類似，這里只說明一下需要改動的地方。可見上一篇案例：https://blog.csdn.net/dgvv4/article/details/123714507

首先，既然使用了別人訓練好的權重繼續訓練，那就要使用和別人一樣的數據預處理方法。

在imgnet中數據的預處理方法是，輸入圖像的各個通道的像素值都減去其均值，不使用像素值歸一化的方法。

# 數據預處理不使用歸一化，調整RGB三通道顏色均值
_R_MEAN = 123.68
_G_MEAN = 116.78
_B_MEAN = 103.94#（4）數據預處理
def processing(x,y):  # 定義預處理函數x = tf.cast(x, dtype=tf.float32) # 圖片轉換為tensor類型y = tf.cast(y, dtype=tf.int32)  # 分類標簽轉換成tensor類型# 對圖像的各個通道減去均值，不進行歸一化x = x - [_R_MEAN, _G_MEAN, _B_MEAN]return x,y# 對所有數據預處理
train_ds = train_ds.map(processing).shuffle(10000)  # map調用自定義預處理函數, shuffle打亂數據集
val_ds = val_ds.map(processing)

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2.3 加載模型和權重

其次，加載網絡模型及權重，我們只需要網絡的特征提取層，不需要網絡的輸出層（原網絡輸出一般都是1000分類）。通過設置 model.trainable = False 就能凍結網絡特征提取層的所有權重，正反向傳播過程中只有輸出層的權重會發生優化更新。建議前10輪的訓練凍結特征提取層，后面的訓練再設置?model.trainable = True 網絡所有權重都能更新。

自定義輸出層，由于原網絡的輸出層一般都是1000分類，而我們自己的網絡一般是幾個分類，因此輸出層的網絡結構需要我們自己寫。通過 keras.Sequential() 容器堆疊網絡各層。

model = densenet(input_shape=input_shape, # 網絡的輸入圖像的sizeclasses=classes,  # 分類數growth_rate = 32,  # 設置增長率，即每個dense模塊的輸出通道數include_top=False)  # 不載入輸出層# 報錯解決：You are trying to load a weight file containing 242 layers into a model with
# 添加參數：by_name=True
model.load_weights(pre_weights_path, by_name=True)# False凍結模型的所有參數，只能更新輸出層的參數
model.trainable = True# 自定義輸出層，不經過softmax激活，有利于網絡的穩定性
model = keras.Sequential([model,  # [7,7,1024]layers.GlobalAveragePooling2D(), # ==>[None,1024]layers.Dropout(rate=0.5),layers.Dense(512),  # ==>[None,512]layers.Dropout(rate=0.5),layers.Dense(classes)])  #==>[None,classes] 

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2.4 訓練結果

和非遷移學習的訓練方法相比需要改進的部分只有上面兩點，接下來開始訓練，設置回調函數將驗證集損失最低的一次迭代的權重保存下來。

#（7）保存權重文件
if not os.path.exists(weights_dir):  # 判斷當前文件夾下有沒有一個叫save_weights的文件夾os.makedirs(weights_dir)  # 如果沒有就創建一個#（8）模型編譯
opt = optimizers.Adam(learning_rate=learning_rate)  # 設置Adam優化器model.compile(optimizer=opt, #學習率loss=keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True), # 交叉熵損失，logits層先經過softmaxmetrics=['accuracy']) #評價指標#（9）定義回調函數，一個列表
# 保存模型參數
callbacks = [keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath = 'save_weights/densenet.h5',  # 參數保存的位置save_best_only = True,  # 保存最佳參數save_weights_only = True,  # 只保存權重文件monitor = 'val_loss')]  # 通過驗證集損失判斷是否是最佳參數#（10）模型訓練，history保存訓練信息
history = model.fit(x = train_ds,  # 訓練集validation_data = val_ds,  # 驗證集epochs = epochs,  #迭代30次callbacks = callbacks,initial_epoch=0) 

訓練完成后，history中保存了訓練信息，繪制損失曲線和準確率曲線。

#（11）獲取訓練信息
history_dict = history.history  # 獲取訓練的數據字典
train_loss = history_dict['loss']  # 訓練集損失
train_accuracy = history_dict['accuracy']  # 訓練集準確率
val_loss = history_dict['val_loss']  # 驗證集損失
val_accuracy = history_dict['val_accuracy']  # 驗證集準確率#（12）繪制訓練損失和驗證損失
plt.figure()
plt.plot(range(epochs), train_loss, label='train_loss')  # 訓練集損失
plt.plot(range(epochs), val_loss, label='val_loss')  # 驗證集損失
plt.legend()  # 顯示標簽
plt.xlabel('epochs')
plt.ylabel('loss')#（13）繪制訓練集和驗證集準確率
plt.figure()
plt.plot(range(epochs), train_accuracy, label='train_accuracy')  # 訓練集準確率
plt.plot(range(epochs), val_accuracy, label='val_accuracy')  # 驗證集準確率
plt.legend()
plt.xlabel('epochs')
plt.ylabel('accuracy')

訓練過程中的準確率和損失

Epoch 1/10
99/99 [==============================] - 64s 354ms/step - loss: 1.8832 - accuracy: 0.5543 - val_loss: 117.8199 - val_accuracy: 0.4000
Epoch 2/10
99/99 [==============================] - 16s 140ms/step - loss: 1.5482 - accuracy: 0.6619 - val_loss: 1.3441 - val_accuracy: 0.6800
Epoch 3/10
99/99 [==============================] - 16s 138ms/step - loss: 2.0702 - accuracy: 0.6129 - val_loss: 5.8502 - val_accuracy: 0.5289
Epoch 4/10
99/99 [==============================] - 16s 137ms/step - loss: 1.2101 - accuracy: 0.7477 - val_loss: 14.2739 - val_accuracy: 0.5956
Epoch 5/10
99/99 [==============================] - 15s 137ms/step - loss: 0.7785 - accuracy: 0.7687 - val_loss: 0.4700 - val_accuracy: 0.8356
Epoch 6/10
99/99 [==============================] - 16s 138ms/step - loss: 1.1095 - accuracy: 0.7349 - val_loss: 0.8931 - val_accuracy: 0.8089
Epoch 7/10
99/99 [==============================] - 16s 138ms/step - loss: 0.8705 - accuracy: 0.7835 - val_loss: 0.2821 - val_accuracy: 0.8978
Epoch 8/10
99/99 [==============================] - 16s 138ms/step - loss: 0.9680 - accuracy: 0.7760 - val_loss: 0.6360 - val_accuracy: 0.8533
Epoch 9/10
99/99 [==============================] - 16s 139ms/step - loss: 0.9522 - accuracy: 0.8041 - val_loss: 0.3987 - val_accuracy: 0.8844
Epoch 10/10
99/99 [==============================] - 16s 138ms/step - loss: 1.0262 - accuracy: 0.7649 - val_loss: 0.4000 - val_accuracy: 0.8578

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3. 預測階段

以對整個測試集的圖片預測為例，test_ds 存放測試集的圖片和類別標簽，對測試集進行和訓練集相同的預處理方法，將圖片的每個通道像素值減去每個通道的均值。

model.predict(img) 返回的是每張圖片屬于每個類別的概率，需要找到概率最大值所對應的索引 np.argmax(result)，該索引對應的分類名稱就是最終預測結果。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from DenseNet import densenet
from PIL import Image
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 報錯解決：NotFoundError: No algorithm worked! when using Conv2D
from tensorflow.compat.v1 import ConfigProto
from tensorflow.compat.v1 import InteractiveSession
config = ConfigProto()
config.gpu_options.allow_growth = True
session = InteractiveSession(config=config)# ------------------------------------ #
# 預測參數設置
# ------------------------------------ #
im_height = 224  # 輸入圖像的高
im_width = 224   # 輸入圖像的高
# 分類名稱
class_names = ['cloudy', 'rain', 'shine', 'sunrise']
# 權重路徑
weight_dir = 'save_weights/densenet_new.h5'
# ------------------------------------ #
# 數據預處理，調整RGB三通道顏色均值
# ------------------------------------ #
_R_MEAN = 123.68
_G_MEAN = 116.78
_B_MEAN = 103.94
# ------------------------------------ #
# 單張圖片預測
# ------------------------------------ #
# 是否只預測一張圖
single_pic = False
# 圖像所在文件夾的路徑
single_filepath = 'D:/deeplearning/test/....../001.jpg'  
# 指定某張圖片
picture = single_filepath + 'rain94.jpg'# ------------------------------------ #
# 對測試集圖片預測
# ------------------------------------ #
test_pack = True
# 驗證集文件夾路徑
test_filepath = 'D:/deeplearning/test/數據集/...../test/'#（1）載入模型，不載入輸出層
model = densenet(input_shape=[224,224,3], classes=4, growth_rate = 32, include_top=False)
print('model is loaded')#（2）構造輸出層
model = keras.Sequential([model,keras.layers.GlobalAveragePooling2D(), # ==>[None,1024]keras.layers.Dropout(rate=0.5),keras.layers.Dense(512),  # ==>[None,512]keras.layers.Dropout(rate=0.5),keras.layers.Dense(len(class_names)),  #==>[None,classes] keras.layers.Softmax()])  # 這里需要經過得到softmax分類概率#（3）載入權重.h文件
model.load_weights(weight_dir, by_name=True)
print('weights is loaded')#（4）只對單張圖像預測
if single_pic is True:# 加載圖片img = Image.open(picture)# 改變圖片sizeimg = img.resize((im_height, im_width))# 展示圖像plt.figure()plt.imshow(img)plt.xticks([])plt.yticks([])# 預處理，圖像像素值減去均值img = np.array(img).astype(np.float32)  # 變成tensor類型img = img - [_R_MEAN, _G_MEAN, _B_MEAN]# 輸入網絡的要求，給圖像增加一個batch維度, [h,w,c]==>[b,h,w,c]img = np.expand_dims(img, axis=0)# 預測圖片，返回結果包含batch維度[b,n]result = model.predict(img)# 轉換成一維，擠壓掉batch維度result = np.squeeze(result)# 找到概率最大值對應的索引predict_class = np.argmax(result)# 打印預測類別及概率print('class:', class_names[predict_class], 'prob:', result[predict_class])plt.title(f'{class_names[predict_class]}')plt.show()#（5）對測試集圖像預測
if test_pack is True:# 載入測試集test_ds = keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(directory = test_filepath, label_mode = 'int',  # 不經過ont編碼, 1、2、3、4、、、 image_size = (im_height, im_width),  # 測試集的圖像resizebatch_size = 32)  # 每批次32張圖# 測試集預處理#（2）數據預處理def processing(image, label): image = tf.cast(image, tf.float32)  # 修改數據類型label = tf.cast(label, tf.int32)# 對圖像的各個通道減去均值，不進行歸一化image = image - [_R_MEAN, _G_MEAN, _B_MEAN]return (image, label)test_ds = test_ds.map(processing) # 預處理test_true = []  # 存放真實值test_pred = []  # 存放預測值# 遍歷測試集所有的batchfor imgs, labels in test_ds:# 每次每次取出一個batch的一張圖像和一個標簽for img, label in zip(imgs, labels):# 網絡輸入的要求，給圖像增加一個維度[h,w,c]==>[b,h,w,c]image_array = tf.expand_dims(img, axis=0)# 預測某一張圖片，返回圖片屬于許多類別的概率prediction = model.predict(image_array)# 找到預測概率最大的索引對應的類別test_pred.append(class_names[np.argmax(prediction)])# label是真實標簽索引test_true.append(class_names[label])# 展示結果print('真實值: ', test_true[:10])print('預測值: ', test_pred[:10])# 繪制混淆矩陣from sklearn.metrics import confusion_matriximport seaborn as snsimport pandas as pdplt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimSun']  #宋體plt.rcParams['font.size'] = 15  #設置字體大小# 生成混淆矩陣conf_numpy = confusion_matrix(test_true, test_pred)# 轉換成DataFrame表格類型，設置行列標簽conf_df = pd.DataFrame(conf_numpy, index=class_names, columns=class_names)# 創建繪圖區plt.figure(figsize=(8,7))# 生成熱力圖sns.heatmap(conf_df, annot=True, fmt="d", cmap="BuPu")# 設置標簽plt.title('Confusion_Matrix')plt.xlabel('Predict')plt.ylabel('True')

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【图像分类案例】(2) DenseNet 天气图片四分类（权重迁移学习），附Tensorflow完整代码的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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