【北京大学】12 TensorFlow1.x的卷积神经网络模型VGGNet实现

叁歲伎倆 2022-12-29 11:20 176阅读 0赞

### 目录 ###

*  1 简介
 *  2 基本方法
 *  3 实现
 *   *  app.py文件
     *  vgg16.py文件
     *  utils.py文件
     *  Nclasses.py文件
     *  vgg16.npy文件
 *  相关笔记

# 1 简介 #

VGGNet是2015年在ICLR会议中，公开的神经网络模型，这个模型在2014年imagenet比赛中获得了定位的第一名和分类的第二名的好成绩。

# 2 基本方法 #

[Google官方文档][Google]  
（1）tf.placeholder用于传入真实训练样本/测试、真实特征、待处理特征，仅占位，不必给初值，用sess.run的feed\_dict参数以字典形式喂给x:

images = tf.placeholder(tf.float32, shape =[BATCH_SIZE, IMAGE_PIXELS])

![在这里插入图片描述][20201222111619128.png_pic_center]

（2）np.load /np.save将数组以二进制格式读出或写入磁盘，扩展名为.npy

np.save("名.npy",某数组)
    某变量 = np.load("名.npy",encoding ="").item()# encoding可不写，有三个选项latin1 ASCII bytes 默认是ASCII

（3）.item()遍历（键值对）

data_dict = np.load(vgg16.npy,encoding='latin1').item()#读取vgg16.npy文件，遍历其内键值对，导出模型参数赋给data_dict

（4）tf.shape(a)返回a的维度，a可以为tensor,list ,array  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

（5）tf.nn.bias\_add(乘加和,bias)\#把bias加到乘加和上  
（6）tf.reshape(tensor,\[n行，m列\])或tf.reshape(tensor,\[-1，m列\])-1表示行随着m列自动计算  
（7）np.argsort(列表)\#对列表从小到大排序，返回索引值  
（8）os.getcwd() \# 返回当前工作目录  
（9）os.path.join( , ,…) \# 拼出整个路径，可引导到特定文件

vv16_path = os.path.join(os.getcwd(),"vgg16.npy")

（10）tf.split(切谁，怎么切，在哪个维度切)

#value 是一个【5 30】的张量
    split0,split1,split2 = tf.split(value,[4,15,11],1)
    把value在第一个维度分为4 15 11三份
    tf.shape(split0) ==>[5,4]
    tf.shape(split1) ==>[5,15]
    tf.shape(split2) ==>[5,11]
    #把value平均切为三份
    split0,split1,split2 = tf.split(value, num_or_size_splits = 3,axis = 1)

（11）tf.conda(值，在哪个维)，实现粘贴

t1 = [[1,2,3],[4,5,6]]
    t2 = [[7,8,9],[10,11,12]]
    #按照第0个维度粘
    tf.concat([t1,t2],0) ==>[[1,2,3],[4,5,6][7,8,9],[10,11,12]]
    #按照第1个维度粘贴
    tf.concat([t1,t2],1) ==>[[1,2,3,7,8,9],[4,5,6,10,11,12]]
    ...

（12）fig = plt.figure(‘图名字’)可视化图片

img = io.imread(图片路径)
    ax = fig.add_subplot(数 数 数)#分别是包含几行，包含∏列，当前是第几个
    ax.bar(bar的个数，bar的值，每个bar的名字，bar宽,bard色)
    ax.set_ylabel("")
    ax.set_title("")
    ax.text(文字x坐标，文字y坐标，文字内容，ha ='center',va ='bottom',fontsize = 7)

（13）ax = imshow(图)画子图

# 3 实现 #

## app.py文件 ##

是应用程序，实现图像识别  
![在这里插入图片描述][20201222111654408.png_pic_center]

#coding:utf-8
    import numpy as np
    import tensorflow as tf
    #引入绘图模块
    import matplotlib.pyplot as plt
    #引用自定义模块
    import vgg16
    import utils
    from Nclasses import labels
    testNum = input("input the number of test pictures:")
    for i in range(testNum):
        img_path = raw_input('Input the path and image name:')
        #对待测试图像出预处理操作
        img_ready = utils.load_image(img_path) 
        #定义画图窗口，并指定窗口名称
        fig=plt.figure(u"Top-5 预测结果") 
        with tf.Session() as sess:
            #定义一个维度为[1, 224, 224, 3]的占位符
            images = tf.placeholder(tf.float32, [1, 224, 224, 3])
            #实例化出vgg
            vgg = vgg16.Vgg16() 
            #前向传播过程，调用成员函数，并传入待测试图像
            vgg.forward(images) 
            #将一个batch数据喂入网络，得到网络的预测输出
            probability = sess.run(vgg.prob, feed_dict={ images:img_ready})
            #得到预测概率最大的五个索引值
            top5 = np.argsort(probability[0])[-1:-6:-1]
            print "top5:",top5
            #定义两个list-对应概率值和实际标签
            values = []
            bar_label = []
            #枚举上面取出的五个索引值
            for n, i in enumerate(top5): 
                print "n:",n
                print "i:",i
                #将索引值对应的预测概率值取出并放入value
                values.append(probability[0][i]) 
                #将索引值对应的际标签取出并放入bar_label
                bar_label.append(labels[i]) 
                print i, ":", labels[i], "----", utils.percent(probability[0][i]) 
            
            #将画布分为一行一列，并把下图放入其中
            ax = fig.add_subplot(111) 
            #绘制柱状图
            ax.bar(range(len(values)), values, tick_label=bar_label, width=0.5, fc='g')
            #设置横轴标签
            ax.set_ylabel(u'probabilityit') 
            #添加标题
            ax.set_title(u'Top-5') 
            for a,b in zip(range(len(values)), values):
                #显示预测概率值
                ax.text(a, b+0.0005, utils.percent(b), ha='center', va = 'bottom', fontsize=7)   
            #显示图像
            plt.show()

## vgg16.py文件 ##

读取模型参数，搭建模型  
![在这里插入图片描述][20201222111705492.png_pic_center]

#tensorflow学习笔记(北京大学) vgg16.py 完全解析 
    #QQ群：476842922（欢迎加群讨论学习
    #!/usr/bin/python
    #coding:utf-8
    import inspect
    import os
    import numpy as np
    import tensorflow as tf
    import time
    import matplotlib.pyplot as plt
    #样本RGB的平均值
    VGG_MEAN = [103.939, 116.779, 123.68] 
    class Vgg16():
        def __init__(self, vgg16_path=None):
            if vgg16_path is None:
                #返回当前工作目录
                vgg16_path = os.path.join(os.getcwd(), "vgg16.npy") 
                #遍历其内键值对，导入模型参数
                self.data_dict = np.load(vgg16_path, encoding='latin1').item() 
        def forward(self, images):
            
            print("build model started")
            #获取前向传播开始时间
            start_time = time.time() 
            #逐个像素乘以255
            rgb_scaled = images * 255.0 
            #从GRB转换彩色通道到BRG
            red, green, blue = tf.split(rgb_scaled,3,3) 
            #减去每个通道的像素平均值，这种操作可以移除图像的平均亮度值
            #该方法常用在灰度图像上
            bgr = tf.concat([     
                blue - VGG_MEAN[0],
                green - VGG_MEAN[1],
                red - VGG_MEAN[2]],3)
            #构建VGG的16层网络（包含5段卷积，3层全连接），并逐层根据命名空间读取网络参数
            #第一段卷积，含有两个卷积层，后面接最大池化层，用来缩小图片尺寸
            self.conv1_1 = self.conv_layer(bgr, "conv1_1") 
            #传入命名空间的name，来获取该层的卷积核和偏置，并做卷积运算，最后返回经过激活函数后的值
            self.conv1_2 = self.conv_layer(self.conv1_1, "conv1_2")
            #根据传入的pooling名字对该层做相应的池化操作
            self.pool1 = self.max_pool_2x2(self.conv1_2, "pool1")
            
            #第二段卷积，包含两个卷积层，一个最大池化层
            self.conv2_1 = self.conv_layer(self.pool1, "conv2_1")
            self.conv2_2 = self.conv_layer(self.conv2_1, "conv2_2")
            self.pool2 = self.max_pool_2x2(self.conv2_2, "pool2")
            #第三段卷积，包含三个卷积层，一个最大池化层
            self.conv3_1 = self.conv_layer(self.pool2, "conv3_1")
            self.conv3_2 = self.conv_layer(self.conv3_1, "conv3_2")
            self.conv3_3 = self.conv_layer(self.conv3_2, "conv3_3")
            self.pool3 = self.max_pool_2x2(self.conv3_3, "pool3")
            
            #第四段卷积，包含三个卷积层，一个最大池化层
            self.conv4_1 = self.conv_layer(self.pool3, "conv4_1")
            self.conv4_2 = self.conv_layer(self.conv4_1, "conv4_2")
            self.conv4_3 = self.conv_layer(self.conv4_2, "conv4_3")
            self.pool4 = self.max_pool_2x2(self.conv4_3, "pool4")
            
            #第五段卷积，包含三个卷积层，一个最大池化层
            self.conv5_1 = self.conv_layer(self.pool4, "conv5_1")
            self.conv5_2 = self.conv_layer(self.conv5_1, "conv5_2")
            self.conv5_3 = self.conv_layer(self.conv5_2, "conv5_3")
            self.pool5 = self.max_pool_2x2(self.conv5_3, "pool5")
            
            #第六层全连接
            #根据命名空间name做加权求和运算
            self.fc6 = self.fc_layer(self.pool5, "fc6")
            #经过relu激活函数
            self.relu6 = tf.nn.relu(self.fc6) 
            
            #第七层全连接
            self.fc7 = self.fc_layer(self.relu6, "fc7")
            self.relu7 = tf.nn.relu(self.fc7)
            
            #第八层全连接
            self.fc8 = self.fc_layer(self.relu7, "fc8")
            self.prob = tf.nn.softmax(self.fc8, name="prob")
            
            #得到全向传播时间
            end_time = time.time() 
            print(("time consuming: %f" % (end_time-start_time)))
            
            #清空本次读取到的模型参数字典
            self.data_dict = None 
        
        #定义卷积运算 
        def conv_layer(self, x, name):
            #根据命名空间name找到对应卷积层的网络参数
            with tf.variable_scope(name): 
                #读到该层的卷积核
                w = self.get_conv_filter(name) 
                #卷积运算
                conv = tf.nn.conv2d(x, w, [1, 1, 1, 1], padding='SAME') 
                #读到偏置项
                conv_biases = self.get_bias(name) 
                #加上偏置，并做激活计算
                result = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv, conv_biases)) 
                return result
        
        #定义获取卷积核的参数
        def get_conv_filter(self, name):
            #根据命名空间从参数字典中获取对应的卷积核
            return tf.constant(self.data_dict[name][0], name="filter") 
        
        #定义获取偏置项的参数
        def get_bias(self, name):
            #根据命名空间从参数字典中获取对应的偏置项
            return tf.constant(self.data_dict[name][1], name="biases")
        
        #定义最大池化操作
        def max_pool_2x2(self, x, name):
            return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME', name=name)
        
        #定义全连接层的全向传播操作
        def fc_layer(self, x, name):
            #根据命名空间name做全连接层的计算
            with tf.variable_scope(name): 
                #获取该层的维度信息列表
                shape = x.get_shape().as_list() 
                dim = 1
                for i in shape[1:]:
                    #将每层的维度相乘
                    dim *= i 
                #改变特征图的形状，也就是将得到的多维特征做拉伸操作，只在进入第六层全连接层做该操作
                x = tf.reshape(x, [-1, dim])
                #读到权重值
                w = self.get_fc_weight(name) 
                #读到偏置项值
                b = self.get_bias(name) 
                #对该层输入做加权求和，再加上偏置
                result = tf.nn.bias_add(tf.matmul(x, w), b) 
                return result
        
        #定义获取权重的函数
        def get_fc_weight(self, name): 
            #根据命名空间name从参数字典中获取对应1的权重
            return tf.constant(self.data_dict[name][0], name="weights")

## utils.py文件 ##

读入图片，概率显示

#!/usr/bin/python
    #coding:utf-8
    from skimage import io, transform
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    import tensorflow as tf
    from pylab import mpl
    mpl.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] # 正常显示中文标签
    mpl.rcParams['axes.unicode_minus']=False # 正常显示正负号
    def load_image(path):
        fig = plt.figure("Centre and Resize")
        #传入读入图片的参数路径
        img = io.imread(path) 
        #将像素归一化处理到[0,1]
        img = img / 255.0 
        
        #将该画布分为一行三列，把下面的图像放在画布的第一个位置
        ax0 = fig.add_subplot(131)  
        #添加子标签
        ax0.set_xlabel(u'Original Picture') 
        #添加展示该图像
        ax0.imshow(img) 
        
        #找到该图像的最短边
        short_edge = min(img.shape[:2]) 
        #把图像的w和h分别减去最短边，并求平均
        y = (img.shape[0] - short_edge) / 2  
        x = (img.shape[1] - short_edge) / 2 
        #取出切分过的中心图像
        crop_img = img[y:y+short_edge, x:x+short_edge] 
        
        #把下面的图像放在画布的第二个位置
        ax1 = fig.add_subplot(132) 
        #添加子标签
        ax1.set_xlabel(u"Centre Picture") 
        #添加展示该图像
        ax1.imshow(crop_img)
        
        #resize成固定的imagesize
        re_img = transform.resize(crop_img, (224, 224)) 
        
        #把下面的图像放在画布的第三个位置
        ax2 = fig.add_subplot(133) 
        ax2.set_xlabel(u"Resize Picture") 
        ax2.imshow(re_img)
        #转换为需要的输入形状
        img_ready = re_img.reshape((1, 224, 224, 3))
        return img_ready
    #定义百分比转换函数
    def percent(value):
        return '%.2f%%' % (value * 100)

## Nclasses.py文件 ##

含label字典  
[源码下载][Link 1]

## vgg16.npy文件 ##

包含了神经网络的全部参数  
[源码下载][Link 1]

# 相关笔记 #

以下所有源码以及更详细PDF笔记请在github下载  
[TensorFolwNotebook-from-Peking-University][]

1.  [【北京大学】1 TensorFlow1.x中Python基础知识][1 TensorFlow1.x_Python]
2.  [【北京大学】2 TensorFlow1.x的张量、计算图、会话][2 TensorFlow1.x]
3.  [【北京大学】3 TensorFlow1.x的前向传播推导与实现][3 TensorFlow1.x]
4.  [【北京大学】4 TensorFlow1.x的反向传播推导与实现][4 TensorFlow1.x]
5.  [【北京大学】5 TensorFlow1.x的损失函数和交叉熵举例讲解及实现][5 TensorFlow1.x]
6.  [【北京大学】6 TensorFlow1.x的学习率、滑动平均和正则化实例及实现][6 TensorFlow1.x]
7.  [【北京大学】7 TensorFlow1.x的神经网络模块设计思想举例及实现][7 TensorFlow1.x]
8.  [【北京大学】8 TensorFlow1.x的Mnist数据集实例实现][8 TensorFlow1.x_Mnist]
9.  [【北京大学】9 TensorFlow1.x的实现自定义Mnist数据集][9 TensorFlow1.x_Mnist]
10. [【北京大学】10 TensorFlow1.x的卷积神经网络(CNN)相关基础知识][10 TensorFlow1.x_CNN]
11. [【北京大学】11 TensorFlow1.x的卷积神经网络模型Lenet5实现][11 TensorFlow1.x_Lenet5]
12. [【北京大学】12 TensorFlow1.x的卷积神经网络模型VGGNet实现][12 TensorFlow1.x_VGGNet]
13. [【北京大学】13 TensorFlow1.x的项目实战之手写英文体识别OCR技术][13 TensorFlow1.x_OCR]
14. [【北京大学】14 TensorFlow1.x的二值神经网络实现MNIST数据集手写数字识别][14 TensorFlow1.x_MNIST]
15. [【北京大学】15 TensorFlow1.x的项目实战之人脸表情识别][15 TensorFlow1.x]
16. [【北京大学】16 TensorFlow1.x的项目实战之图像风格融合与快速迁移][16 TensorFlow1.x]

[Google]: https://tensorflow.google.cn/
[20201222111619128.png_pic_center]: /images/20221120/0604ffd4441b443ebb73c8b65931c9f6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTY5Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/c8b789bc88524771882e205901f13e3f.png
[20201222111654408.png_pic_center]: /images/20221120/182cdec69153467cafc8b06923c0984a.png
[20201222111705492.png_pic_center]: /images/20221120/c591dcb1906a4dec8c24d447619d7911.png
[Link 1]: https://github.com/Adnios/Tensorflow/tree/master/Tensorflow%208%20%20vgg
[TensorFolwNotebook-from-Peking-University]: https://github.com/823316627bandeng/-TensorFolwNotebook-from-Peking-University
[1 TensorFlow1.x_Python]: https://betterbench.blog.csdn.net/article/details/111400935
[2 TensorFlow1.x]: https://betterbench.blog.csdn.net/article/details/111401620
[3 TensorFlow1.x]: https://betterbench.blog.csdn.net/article/details/111407104
[4 TensorFlow1.x]: https://betterbench.blog.csdn.net/article/details/111407700
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