使用python+keras来识别狗的品种

在这篇文章中，将教大家实现一个网页应用程序，该程序可以接收狗的图片，然后输出其品种，其准确率超过80%！

我们将使用深度学习来训练一个识别狗品种的模型，数据集是狗图像与他们的品种信息，通过学习图像的特征来区分狗的品种。

数据分析

数据集可以从这里下载（https://s3-us-west-1.amazonaws.com/udacity-aind/dog-project/dogImages.zip）。以下是关于数据的一些介绍：

犬种总数：133
狗图片总数：8351（训练集：6680，验证集：835，测试集：836）
最受欢迎的品种：阿拉斯加对应96个样本，博德牧羊犬对应93个样本

按图片数量排序的前30个品种如下：

我们还可以在这里看到一些狗的图片和它们的品种：

数据预处理

我们会把每个图像作为一个numpy数组进行加载，并将它们的大小调整为224x224，这是大多数传统神经网络接受图像的默认大小，另外我们为图像的数量添加为另一个维度。

from keras.preprocessing import image                  from tqdm import tqdm
def path_to_tensor(img_path):    '''将给定路径下的图像转换为张量'''    img = image.load_img(img_path, target_size=(224, 224))    x = image.img_to_array(img)    return np.expand_dims(x, axis=0)
def paths_to_tensor(img_paths):    '''将给定路径中的所有图像转换为张量'''    list_of_tensors = [path_to_tensor(img_path) for img_path in tqdm(img_paths)]    return np.vstack(list_of_tensors)

最后，我们使用ImageDataGenerator对图像进行动态缩放和增强

train_datagen = tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(rescale=1./255,                                                horizontal_flip=True,                                                vertical_flip=True,                                                rotation_range=20)
valid_datagen = tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(rescale=1./255.)
test_datagen = tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(rescale=1./255.)train_generator = train_datagen.flow(train_tensors, train_targets, batch_size=32)valid_generator = train_datagen.flow(valid_tensors, valid_targets, batch_size=32)test_generator = train_datagen.flow(test_tensors, test_targets, batch_size=32)

CNN

我们将在预处理数据集上从头开始训练卷积神经网络（CNN），如下所示：

model = tf.keras.models.Sequential([    tf.keras.layers.Conv2D(16, (3,3), activation='relu', input_shape=(224, 224, 3)),    tf.keras.layers.MaxPooling2D(2, 2),    tf.keras.layers.Conv2D(32, (3,3), activation='relu'),    tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),    tf.keras.layers.Conv2D(64, (3,3), activation='relu'),    tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),    tf.keras.layers.Conv2D(128, (3,3), activation='relu'),    tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),    tf.keras.layers.Conv2D(256, (3,3), activation='relu'),    tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),    tf.keras.layers.Flatten(),    tf.keras.layers.Dense(2048, activation='softmax'),    tf.keras.layers.Dropout(0.5),    tf.keras.layers.Dense(1024, activation='softmax'),    tf.keras.layers.Dropout(0.5),    tf.keras.layers.Dense(133, activation='softmax')])model.compile(optimizer='rmsprop', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
checkpointer = tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath='../saved_models/weights_best_custom.hdf5',                                verbose=1, save_best_only=True)
model.fit(train_generator, epochs=5, validation_data=valid_generator, callbacks=[checkpointer])

我们使用一个ModelCheckpoint的回调来保存验证分数较高的模型。通过测试模型，我们得到的准确率只有1%左右

使用迁移学习

现在，我们使用迁移学习来实现更高的准确率。首先我们下载ResNet-50，可以通过运行下面的代码来提取相应的训练集、测试和验证集：

bottleneck_features = np.load('Data/bottleneck_features/DogResnet50Data.npz')train_Resnet50 = bottleneck_features['train']valid_Resnet50 = bottleneck_features['valid']test_Resnet50 = bottleneck_features['test']

我们现在再次定义模型，并对提取的特征使用GlobalAveragePooling2D，它将一组特征平均为一个值。最后，如果验证损失在两个连续的epoch内没有增加，我们使用额外的回调来降低学习率；如果验证损失在连续的5个epoch内没有增加，可以提前停止训练。

Resnet50_model = tf.keras.models.Sequential()Resnet50_model.add(tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D(input_shape=train_Resnet50.shape[1:]))Resnet50_model.add(tf.keras.layers.Dense(1024, activation='relu'))Resnet50_model.add(tf.keras.layers.Dense(133, activation='softmax'))
Resnet50_model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='rmsprop', metrics=['accuracy'])
checkpointer = tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath='saved_models/weights_best_Resnet50.hdf5',                                verbose=1, save_best_only=True)early_stopping = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(patience=5, monitor='val_loss')
reduce_lr = tf.keras.callbacks.ReduceLROnPlateau(patience=2, monitor='val_loss')Resnet50_model.fit(train_Resnet50, train_targets,           validation_data=(valid_Resnet50, valid_targets),          epochs=50, batch_size=20, callbacks=[checkpointer, early_stopping, reduce_lr], verbose=1)### 训练模型

最后在测试集上的准确率为82.65%，这与我们白手起家训练的模型相比，是一个巨大的进步。

构建web应用程序

对于web应用程序，我们首先编写了一个helper函数，该函数接受图像路径并返回品种。label_to_cat字典将每个数字标签映射到它的狗品种。

def predict_breed(img_path):    '''预测给定图像的品种'''    # 提取特征    bottleneck_feature = extract_Resnet50(path_to_tensor(img_path))    bottleneck_feature = tf.keras.models.Sequential([                            tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D(input_shape=bottleneck_feature.shape[1:])                        ]).predict(bottleneck_feature).reshape(1, 1, 1, 2048)    # 获得预测向量    predicted_vector = Resnet50_model.predict(bottleneck_feature)    # 模型预测的犬种    return label_to_cat[np.argmax(predicted_vector)]

对于web应用程序，我们将使用flaskweb框架来帮助我们用最少的代码创建web应用程序。我们定义一个接受图像的路由，并用狗的品种呈现一个输出模板

@app.route('/upload', methods=['POST','GET'])def upload_file():    if request.method == 'GET':        return render_template('index.html')    else:        file = request.files['image']        full_name = os.path.join(UPLOAD_FOLDER, file.filename)        file.save(full_name)        dog_breed = dog_breed_classifier(full_name)    return render_template('predict.html', image_file_name = file.filename, label = dog_breed)

predict.html是分别显示图像及其犬种的模板。

结论

祝贺你！你已经成功地实现了一个狗品种分类器，并且可以准确地分辨出狗的品种。让我们总结一下我们在这里学到的知识：

我们对数据集进行了分析和预处理。机器学习算法需要单独的训练集、测试集和验证集来进行置信预测。
我们从零开始使用CNN，由于未能提取特征，所以表现不佳。
然后我们使用了迁移学习，准确度大大提高
最后，我们构建了一个Flask web应用程序来实现我们的项目封装

我们确实学到了很多东西，但你还可以尝试很多其他的事情。你可以在heroku上部署web应用程序，也可以尝试使用不同的层（如Dropout层）来提高准确性。

参考链接：https://towardsdatascience.com/dont-know-the-breed-of-your-dog-ml-can-help-6558eb5f7f05

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