tensorflow实现迁移学习
来源:互联网 发布:淘宝旺旺名怎么设置 编辑:程序博客网 时间:2024/06/10 13:29
此例程出自《TensorFlow实战Google深度学习框架》6.5.2小节 卷积神经网络迁移学习。
数据集来自http://download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz ,及谷歌提供的Inception-v3模型https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/models/inception_dec_2015.zip 。 自行下载和解压。
解压后的文件夹包含5个子文件夹,每个子文件夹的名称为一种花的名称,代表了不同的类别。
工程目录:
-transfer_learning -flower_data //存放原始图片的文件夹,有5个子文件夹, 每个子文件夹的名称为一种花的名称 -daisy //daisy类花图片的文件夹 -dandelion -roses -sunflowers -tulips -LICENSE.txt -model //存放模型的文件夹 -imagenet_comp_graph_label_strings.txt -LICENSE -tensorflow_inception_graph.pb //模型文件 -tmp -bottleneck //保存模型瓶颈层的特征结果 -daisy //daisy类花特征的文件夹 -dandelion -roses -sunflowers -tulips -transfer_flower.py //所有的程序都在这里了
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代码实现
transfer_flower.py
#!/usr/bin/env python3# -*- coding: utf-8 -*-import globimport os.pathimport randomimport numpy as npimport tensorflow as tffrom tensorflow.python.platform import gfile# Inception-v3模型瓶颈层的节点个数BOTTLENECK_TENSOR_SIZE = 2048# Inception-v3模型中代表瓶颈层结果的张量名称。# 在谷歌提出的Inception-v3模型中,这个张量名称就是'pool_3/_reshape:0'。# 在训练模型时,可以通过tensor.name来获取张量的名称。BOTTLENECK_TENSOR_NAME = 'pool_3/_reshape:0'# 图像输入张量所对应的名称。JPEG_DATA_TENSOR_NAME = 'DecodeJpeg/contents:0'# 下载的谷歌训练好的Inception-v3模型文件目录MODEL_DIR = 'model/'# 下载的谷歌训练好的Inception-v3模型文件名MODEL_FILE = 'tensorflow_inception_graph.pb'# 因为一个训练数据会被使用多次,所以可以将原始图像通过Inception-v3模型计算得到的特征向量保存在文件中,免去重复的计算。# 下面的变量定义了这些文件的存放地址。CACHE_DIR = 'tmp/bottleneck/'# 图片数据文件夹。# 在这个文件夹中每一个子文件夹代表一个需要区分的类别,每个子文件夹中存放了对应类别的图片。INPUT_DATA = 'flower_data/'# 验证的数据百分比VALIDATION_PERCENTAGE = 10# 测试的数据百分比TEST_PERCENTAGE = 10# 定义神经网络的设置LEARNING_RATE = 0.01STEPS = 4000BATCH = 100# 这个函数从数据文件夹中读取所有的图片列表并按训练、验证、测试数据分开。# testing_percentage和validation_percentage参数指定了测试数据集和验证数据集的大小。def create_image_lists(testing_percentage, validation_percentage): # 得到的所有图片都存在result这个字典(dictionary)里。 # 这个字典的key为类别的名称,value也是一个字典,字典里存储了所有的图片名称。 result = {} # 获取当前目录下所有的子目录 sub_dirs = [x[0] for x in os.walk(INPUT_DATA)] # 得到的第一个目录是当前目录,不需要考虑 is_root_dir = True for sub_dir in sub_dirs: if is_root_dir: is_root_dir = False continue # 获取当前目录下所有的有效图片文件。 extensions = ['jpg', 'jpeg', 'JPG', 'JPEG'] file_list = [] dir_name = os.path.basename(sub_dir) for extension in extensions: file_glob = os.path.join(INPUT_DATA, dir_name, '*.'+extension) file_list.extend(glob.glob(file_glob)) if not file_list: continue # 通过目录名获取类别的名称。 label_name = dir_name.lower() # 初始化当前类别的训练数据集、测试数据集和验证数据集 training_images = [] testing_images = [] validation_images = [] for file_name in file_list: base_name = os.path.basename(file_name) # 随机将数据分到训练数据集、测试数据集和验证数据集。 chance = np.random.randint(100) if chance < validation_percentage: validation_images.append(base_name) elif chance < (testing_percentage + validation_percentage): testing_images.append(base_name) else: training_images.append(base_name) # 将当前类别的数据放入结果字典。 result[label_name] = { 'dir': dir_name, 'training': training_images, 'testing': testing_images, 'validation': validation_images } # 返回整理好的所有数据 return result# 这个函数通过类别名称、所属数据集和图片编号获取一张图片的地址。# image_lists参数给出了所有图片信息。# image_dir参数给出了根目录。存放图片数据的根目录和存放图片特征向量的根目录地址不同。# label_name参数给定了类别的名称。# index参数给定了需要获取的图片的编号。# category参数指定了需要获取的图片是在训练数据集、测试数据集还是验证数据集。def get_image_path(image_lists, image_dir, label_name, index, category): # 获取给定类别中所有图片的信息。 label_lists = image_lists[label_name] # 根据所属数据集的名称获取集合中的全部图片信息。 category_list = label_lists[category] mod_index = index % len(category_list) # 获取图片的文件名。 base_name = category_list[mod_index] sub_dir = label_lists['dir'] # 最终的地址为数据根目录的地址 + 类别的文件夹 + 图片的名称 full_path = os.path.join(image_dir, sub_dir, base_name) return full_path# 这个函数通过类别名称、所属数据集和图片编号获取经过Inception-v3模型处理之后的特征向量文件地址。def get_bottlenect_path(image_lists, label_name, index, category): return get_image_path(image_lists, CACHE_DIR, label_name, index, category) + '.txt';# 这个函数使用加载的训练好的Inception-v3模型处理一张图片,得到这个图片的特征向量。def run_bottleneck_on_image(sess, image_data, image_data_tensor, bottleneck_tensor): # 这个过程实际上就是将当前图片作为输入计算瓶颈张量的值。这个瓶颈张量的值就是这张图片的新的特征向量。 bottleneck_values = sess.run(bottleneck_tensor, {image_data_tensor: image_data}) # 经过卷积神经网络处理的结果是一个四维数组,需要将这个结果压缩成一个特征向量(一维数组) bottleneck_values = np.squeeze(bottleneck_values) return bottleneck_values# 这个函数获取一张图片经过Inception-v3模型处理之后的特征向量。# 这个函数会先试图寻找已经计算且保存下来的特征向量,如果找不到则先计算这个特征向量,然后保存到文件。def get_or_create_bottleneck(sess, image_lists, label_name, index, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor): # 获取一张图片对应的特征向量文件的路径。 label_lists = image_lists[label_name] sub_dir = label_lists['dir'] sub_dir_path = os.path.join(CACHE_DIR, sub_dir) if not os.path.exists(sub_dir_path): os.makedirs(sub_dir_path) bottleneck_path = get_bottlenect_path(image_lists, label_name, index, category) # 如果这个特征向量文件不存在,则通过Inception-v3模型来计算特征向量,并将计算的结果存入文件。 if not os.path.exists(bottleneck_path): # 获取原始的图片路径 image_path = get_image_path(image_lists, INPUT_DATA, label_name, index, category) # 获取图片内容。 image_data = gfile.FastGFile(image_path, 'rb').read() # print(len(image_data)) # 由于输入的图片大小不一致,此处得到的image_data大小也不一致(已验证),但却都能通过加载的inception-v3模型生成一个2048的特征向量。具体原理不详。 # 通过Inception-v3模型计算特征向量 bottleneck_values = run_bottleneck_on_image(sess, image_data, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor) # 将计算得到的特征向量存入文件 bottleneck_string = ','.join(str(x) for x in bottleneck_values) with open(bottleneck_path, 'w') as bottleneck_file: bottleneck_file.write(bottleneck_string) else: # 直接从文件中获取图片相应的特征向量。 with open(bottleneck_path, 'r') as bottleneck_file: bottleneck_string = bottleneck_file.read() bottleneck_values = [float(x) for x in bottleneck_string.split(',')] # 返回得到的特征向量 return bottleneck_values# 这个函数随机获取一个batch的图片作为训练数据。def get_random_cached_bottlenecks(sess, n_classes, image_lists, how_many, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor): bottlenecks = [] ground_truths = [] for _ in range(how_many): # 随机一个类别和图片的编号加入当前的训练数据。 label_index = random.randrange(n_classes) label_name = list(image_lists.keys())[label_index] image_index = random.randrange(65536) bottleneck = get_or_create_bottleneck(sess, image_lists, label_name, image_index, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor) ground_truth = np.zeros(n_classes, dtype=np.float32) ground_truth[label_index] = 1.0 bottlenecks.append(bottleneck) ground_truths.append(ground_truth) return bottlenecks, ground_truths# 这个函数获取全部的测试数据。在最终测试的时候需要在所有的测试数据上计算正确率。def get_test_bottlenecks(sess, image_lists, n_classes, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor): bottlenecks = [] ground_truths = [] label_name_list = list(image_lists.keys()) # 枚举所有的类别和每个类别中的测试图片。 for label_index, label_name in enumerate(label_name_list): category = 'testing' for index, unused_base_name in enumerate(image_lists[label_name][category]): # 通过Inception-v3模型计算图片对应的特征向量,并将其加入最终数据的列表。 bottleneck = get_or_create_bottleneck(sess, image_lists, label_name, index, category, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor) ground_truth = np.zeros(n_classes, dtype = np.float32) ground_truth[label_index] = 1.0 bottlenecks.append(bottleneck) ground_truths.append(ground_truth) return bottlenecks, ground_truthsdef main(_): # 读取所有图片。 image_lists = create_image_lists(TEST_PERCENTAGE, VALIDATION_PERCENTAGE) n_classes = len(image_lists.keys()) # 读取已经训练好的Inception-v3模型。 # 谷歌训练好的模型保存在了GraphDef Protocol Buffer中,里面保存了每一个节点取值的计算方法以及变量的取值。 # TensorFlow模型持久化的问题在第5章中有详细的介绍。 with gfile.FastGFile(os.path.join(MODEL_DIR, MODEL_FILE), 'rb') as f: graph_def = tf.GraphDef() graph_def.ParseFromString(f.read()) # 加载读取的Inception-v3模型,并返回数据输入所对应的张量以及计算瓶颈层结果所对应的张量。 bottleneck_tensor, jpeg_data_tensor = tf.import_graph_def(graph_def, return_elements=[BOTTLENECK_TENSOR_NAME, JPEG_DATA_TENSOR_NAME]) # 定义新的神经网络输入,这个输入就是新的图片经过Inception-v3模型前向传播到达瓶颈层时的结点取值。 # 可以将这个过程类似的理解为一种特征提取。 bottleneck_input = tf.placeholder(tf.float32, [None, BOTTLENECK_TENSOR_SIZE], name='BottleneckInputPlaceholder') # 定义新的标准答案输入 ground_truth_input = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_classes], name='GroundTruthInput') # 定义一层全连接层来解决新的图片分类问题。 # 因为训练好的Inception-v3模型已经将原始的图片抽象为了更加容易分类的特征向量了,所以不需要再训练那么复杂的神经网络来完成这个新的分类任务。 with tf.name_scope('final_training_ops'): weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([BOTTLENECK_TENSOR_SIZE, n_classes], stddev=0.001)) biases = tf.Variable(tf.zeros([n_classes])) logits = tf.matmul(bottleneck_input, weights) + biases final_tensor = tf.nn.softmax(logits) # 定义交叉熵损失函数 cross_entropy = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logits, labels=ground_truth_input) cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy) train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(LEARNING_RATE).minimize(cross_entropy_mean) # 计算正确率 with tf.name_scope('evaluation'): correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(final_tensor, 1), tf.argmax(ground_truth_input, 1)) evaluation_step = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32)) with tf.Session() as sess: tf.global_variables_initializer().run() # 训练过程 for i in range(STEPS): # 每次获取一个batch的训练数据 train_bottlenecks, train_ground_truth = get_random_cached_bottlenecks( sess, n_classes, image_lists, BATCH, 'training', jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor) sess.run(train_step, feed_dict={bottleneck_input: train_bottlenecks, ground_truth_input: train_ground_truth}) # 在验证集上测试正确率。 if i%100 == 0 or i+1 == STEPS: validation_bottlenecks, validation_ground_truth = get_random_cached_bottlenecks( sess, n_classes, image_lists, BATCH, 'validation', jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor) validation_accuracy = sess.run(evaluation_step, feed_dict={ bottleneck_input:validation_bottlenecks, ground_truth_input: validation_ground_truth}) print('Step %d: Validation accuracy on random sampled %d examples = %.1f%%' % (i, BATCH, validation_accuracy*100)) # 在最后的测试数据上测试正确率 test_bottlenecks, test_ground_truth = get_test_bottlenecks(sess, image_lists, n_classes, jpeg_data_tensor, bottleneck_tensor) test_accuracy = sess.run(evaluation_step, feed_dict={bottleneck_input: test_bottlenecks, ground_truth_input: test_ground_truth}) print('Final test accuracy = %.1f%%' % (test_accuracy * 100))if __name__ == '__main__': tf.app.run()
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实验及分析
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2.代码疑问
不知道大家有注意到没有,数据集里给的是不同大小的图片,而程序里却可以直接送入Inception-v3模型,从而得到同样尺寸的结果特征向量。我在书籍的github上问了这个问题,得到的回复是:Inception-v3模型中包含了图像预处理和大小调整的部分。目前并没有往下继续考究。原问题详见:caicloud/tensorflow-tutorial第6章迁移学习例程疑问
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