基于tensorflow的咖啡豆识别

2024-06-01 1712阅读
  • 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营 中的学习记录博客
  • 🍖 原作者:K同学啊

    一、前期工作

    1. 设置GPU

    import tensorflow as tf
    gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")
    if gpus:
        tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True)  #设置GPU显存用量按需使用
        tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")
        print("GPU is available")
    

    2. 导入数据

    from tensorflow       import keras
    from tensorflow.keras import layers,models
    import numpy             as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    import os,PIL,pathlib
    data_dir = "F:/host/Data/咖啡豆识别数据/"
    data_dir = pathlib.Path(data_dir)
    
    image_count = len(list(data_dir.glob('*/*.png')))
    print("图片总数为:",image_count)
    

    基于tensorflow的咖啡豆识别

    二、数据预处理

    1. 加载数据

    使用image_dataset_from_directory方法将磁盘中的数据加载到tf.data.Dataset中

    batch_size = 8
    img_height = 224
    img_width = 224
    
    train_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
        data_dir,
        validation_split=0.2,
        subset="training",
        seed=123,
        image_size=(img_height, img_width),
        batch_size=batch_size)
    
    val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
        data_dir,
        validation_split=0.1,
        subset="validation",
        seed=123,
        image_size=(img_height, img_width),
        batch_size=batch_size)
    
    class_names = train_ds.class_names
    print(class_names)
    

    基于tensorflow的咖啡豆识别

    2. 可视化数据

    plt.figure(figsize=(10, 4))  # 图形的宽为10高为5
    for images, labels in train_ds.take(1):
        for i in range(8):
            
            ax = plt.subplot(2, 4, i + 1)  
            plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
            plt.title(class_names[labels[i]])
            
            plt.axis("off")
    

    基于tensorflow的咖啡豆识别

    for image_batch, labels_batch in train_ds:
        print(image_batch.shape)
        print(labels_batch.shape)
        break
    

    基于tensorflow的咖啡豆识别

    3. 配置数据集

    • shuffle() :打乱数据,关于此函数的详细介绍可以参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/42417456
    • prefetch() :预取数据,加速运行,其详细介绍可以参考我前两篇文章,里面都有讲解。
    • cache() :将数据集缓存到内存当中,加速运行
      AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE
      train_ds = train_ds.cache().shuffle(1000).prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
      val_ds   = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
      
      normalization_layer = layers.experimental.preprocessing.Rescaling(1./255)
      train_ds = train_ds.map(lambda x, y: (normalization_layer(x), y))
      val_ds   = val_ds.map(lambda x, y: (normalization_layer(x), y)) 
      
      image_batch, labels_batch = next(iter(val_ds))
      first_image = image_batch[0]
      # 查看归一化后的数据
      print(np.min(first_image), np.max(first_image))
      

      三、构建VGG-16网络

      from tensorflow.keras import layers, models, Input
      from tensorflow.keras.models import Model
      from tensorflow.keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Dense, Flatten, Dropout
      def VGG16(nb_classes, input_shape):
          # 输入层
          input_tensor = Input(shape=input_shape)
          # 卷积层1
          x = Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block1_conv1')(input_tensor)
          x = Conv2D(64, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block1_conv2')(x)
          x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block1_pool')(x)
          # 卷积层2
          x = Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block2_conv1')(x)
          x = Conv2D(128, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block2_conv2')(x)
          x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block2_pool')(x)
          # 卷积层3
          x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv1')(x)
          x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv2')(x)
          x = Conv2D(256, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block3_conv3')(x)
          x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block3_pool')(x)
          # 卷积层4
          x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv1')(x)
          x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv2')(x)
          x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block4_conv3')(x)
          x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block4_pool')(x)
          # 卷积层5
          x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv1')(x)
          x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv2')(x)
          x = Conv2D(512, (3,3), activation='relu', padding='same',name='block5_conv3')(x)
          x = MaxPooling2D((2,2), strides=(2,2), name = 'block5_pool')(x)
          # 展平层
          x = Flatten()(x)
          # 全连接层1
          x = Dense(4096, activation='relu',name='fc1')(x)
          # 全连接层2
          x = Dense(4096, activation='relu',name='fc2')(x)
          # 输出层
          output_tensor = Dense(nb_classes, activation='softmax',name='predictions')(x)
          # 创建模型
          model = Model(input_tensor, output_tensor)
          return model
      # 创建模型
      model=VGG16(len(class_names), (img_width, img_height, 3))
      # 打印模型结构
      model.summary()
      

      基于tensorflow的咖啡豆识别

      3. 网络结构图

      关于卷积的相关知识可以参考文章:https://mtyjkh.blog.csdn.net/article/details/114278995

      结构说明:

      • 13个卷积层(Convolutional Layer),分别用blockX_convX表示
      • 3个全连接层(Fully connected Layer),分别用fcX与predictions表示
      • 5个池化层(Pool layer),分别用blockX_pool表示

        VGG-16包含了16个隐藏层(13个卷积层和3个全连接层),故称为VGG-16

        基于tensorflow的咖啡豆识别

        四、编译

        在准备对模型进行训练之前,还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的:

        • 损失函数(loss):用于衡量模型在训练期间的准确率。
        • 优化器(optimizer):决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
        • 指标(metrics):用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率,即被正确分类的图像的比率。
          # 设置初始学习率
          initial_learning_rate = 1e-4
          lr_schedule = tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
                  initial_learning_rate, 
                  decay_steps=30,      # 敲黑板!!!这里是指 steps,不是指epochs
                  decay_rate=0.92,     # lr经过一次衰减就会变成 decay_rate*lr
                  staircase=True)
          # 设置优化器
          opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=initial_learning_rate)
          model.compile(optimizer=opt,
                        loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
                        metrics=['accuracy'])
          

          五、训练模型

          epochs = 20
          history = model.fit(
              train_ds,
              validation_data=val_ds,
              epochs=epochs
          )
          

          基于tensorflow的咖啡豆识别

          六、可视化结果

          acc = history.history['accuracy']
          val_acc = history.history['val_accuracy']
          loss = history.history['loss']
          val_loss = history.history['val_loss']
          epochs_range = range(epochs)
          plt.figure(figsize=(12, 4))
          plt.subplot(1, 2, 1)
          plt.plot(epochs_range, acc, label='Training Accuracy')
          plt.plot(epochs_range, val_acc, label='Validation Accuracy')
          plt.legend(loc='lower right')
          plt.title('Training and Validation Accuracy')
          plt.subplot(1, 2, 2)
          plt.plot(epochs_range, loss, label='Training Loss')
          plt.plot(epochs_range, val_loss, label='Validation Loss')
          plt.legend(loc='upper right')
          plt.title('Training and Validation Loss')
          plt.show()
          

          基于tensorflow的咖啡豆识别

          七、个人小结

          在本次咖啡豆识别项目中,我们通过设置GPU、导入并预处理数据、构建深度学习模型,以及对模型进行训练和评估,实现了对咖啡豆图像的自动识别。整个过程涵盖了数据加载与可视化、数据集配置、模型构建与优化等关键步骤,最终显著提升了图像分类的准确性,同时也加深了我们对深度学习技术的实践理解。

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