python之tensorflow手把手实例讲解斑马线识别实现

一,斑马线的数据集

数据集的构成:

test train
zebra corssing:56 zebra corssing:168
other:54 other:164

二,代码部分

1.导包

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import keras

2.数据导入

train_dir=r'C:\Users\zx\深度学习\Zebra\train'
test_dir=r'C:\Users\zx\深度学习\Zebra\test'
train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1/255,
                                   rotation_range=10,  #旋转
                                   horizontal_flip=True)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(train_dir,
                                                    (50,50),
                                                    batch_size=1,
                                                    class_mode='binary',
                                                    shuffle=False)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1/255)
test_generator = test_datagen.flow_from_directory(test_dir,
                                                 (50,50),
                                                  batch_size=1,
                                                  class_mode='binary',
                                                  shuffle=False)

3.搭建模型

模型的建立仁者见智,可自己调节寻找更好的模型。

model = tf.keras.models.Sequential([
    # 第一层卷积,卷积核为,共16个,输入为150*150*1
    tf.keras.layers.Conv2D(16,(3,3),activation='relu',padding='same',input_shape=(50,50,3)),
    tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 第二层卷积,卷积核为3*3,共32个,
    tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu'),
    tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 第三层卷积,卷积核为3*3,共64个,
    tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu'),
    tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 第四层卷积,卷积核为3*3,共128个
#     tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'),
#     tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 数据铺平
    tf.keras.layers.Flatten(),
    tf.keras.layers.Dense(32,activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(16,activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(2,activation='softmax')
])
print(model.summary())
model.compile(optimize='adam',
             loss=tf.keras.losses.sparse_categorical_crossentropy,
              metrics=['acc'])

4,模型训练

history = model.fit(train_generator,
                    epochs=20,
                    verbose=1)
model.save('./Zebra.h5')

模型训练过程:

python之tensorflow手把手实例讲解斑马线识别实现_第1张图片

可以看到我们的模型在20轮的训练后acc从0.63上升到了0.96左右。

5,模型评估

model.evaluate(test_generator)

在这里插入图片描述

#可视化
plt.plot(history.history['acc'], label='accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([0.7, 1])
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('acc')
plt.show()

python之tensorflow手把手实例讲解斑马线识别实现_第2张图片

6,模型预测

虽然我们的模型在训练过程中acc一度达到0.96,但测试集才是检验模型的唯一标准,在model.evaluate(test_generator)中的评分只有0.91左右,说明我们的模型已经能以很高的正确率来完成”斑马线“与“非斑马线”的二分类问题了,但我们还是要查看具体是哪些数据没有被模型正确得识别。

pred=model.predict(test_generator) #获取test集的输出
filenames = test_generator.filenames  #获取test数据的文件名

错误输出过程:

  • 1,循环测试集长度,通过if语句先判断others还是zebra,再通过one-hot编码判断是否预测正确。
  • 2,根据labels可知others': 0, 'zebra crossing': 1,以此来判断是否预测正确。
  • 3,对 filenames[0]='others\\103.png',进行切片处理。
  • 4,找到others的‘s'或 zebra crossing的‘g',使用find()在基础上+2为正切片的起点(样本编号前有'\'符号,故+2才能正确取出编号)。
  • 5,如 :将filenames[i]的值赋给a,a[int(a.find('s')+2):]则表示为 'xx.png'。
  • 6,将取出的样本编号与路径拼接,读取后作图。
  • 7,break跳出循环。
for i in range(len(filenames)):
    if filenames[i][:6]=='others':
        if np.argmax(pred[i]) != 0:
            a=filenames[i]
            plt.figure()
            print('预测错误的图片:'+a[int(a.find('s')+2):])
            print('错误识别为"zebra crossing",正确类型是"others"')
            print('预测标签为:'+str(np.argmax(pred[i]))+',真实标签为:0')
            img = plt.imread('Zebra/test/others/'+a[int(a.find('s')+2):])
            plt.imshow(img)
            plt.title(a[int(a.find('s')+2):])
            plt.grid(False)
            break
    if filenames[i][:6]=='zebra ':
        if np.argmax(pred[i]) != 1:
            b= filenames[i]
            plt.figure()
            print('预测错误的图片:'+b[int(b.find('g')+2):])
            print('错误识别为"others",正确类型是"zebra crossing"')
            print('预测标签为:'+str(np.argmax(pred[i]))+',真实标签为:1')
            img = plt.imread('Zebra/test/zebra crossing/'+b[int(b.find('g')+2):])
            plt.imshow(img)
            plt.title(b[int(b.find('g')+2):])
            plt.grid(False)
            break

python之tensorflow手把手实例讲解斑马线识别实现_第3张图片

看到这个错误样本,我猜想可能是因为斑马线的部分只占了图像的一半左右,所以预测错误了。

这里是我做预测判断的思路,本可以不这么复杂的可以用test_generator.labels来获取数据的标签,再做判断。

test_generator.labels

python之tensorflow手把手实例讲解斑马线识别实现_第4张图片

上面只输出了第一个错误的样本,所以接下来我们要看所有错误预测的样本

sum=0
for i in range(len(filenames)):
    if filenames[i][:6]=='others':
        if np.argmax(pred[i]) != 0:
            a=filenames[i]
            print('预测错误的图片:'+a[int(a.find('s')+2):]+',错误识别为"zebra crossing",正确类型是"others"')
            sum=sum+1
    if filenames[i][:6]=='zebra ':
        if np.argmax(pred[i]) != 1:
            b= filenames[i]
            print('预测错误的图片:'+b[int(b.find('g')+2):]+',错误识别为"others",正确类型是"zebra crossing"')
            sum=sum+1
print('错误率:'+str(sum/100)+'%')
print('正确率:'+str((10000-sum)/100)+'%')

python之tensorflow手把手实例讲解斑马线识别实现_第5张图片

三,分析

在构建模型时我尝试在最后一层只用一个神经元,用sigmoid激活函数,其他参数不变,在同样epochs=20的条件,也能很快收敛,达到很高的acc,测试集的评分也能在0.9左右,但是在最后输出全部错误样本的时候发现错误的样本远超过softmax,可能其中有些参数我没有根据sigmoid来调整,所以会有如此高的错误率,欢迎在评论区讨论。

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