【TensorFlow2.0】(可写入简历项目) 基于CNN卷积神经网络的图像识别—从搭建模型到模型部署完整过程

卷积神经网络的图像识别—从搭建模型到模型部署完整过程"/>

【TensorFlow2.0】(可写入简历项目) 基于CNN卷积神经网络的图像识别—从搭建模型到模型部署完整过程

以CNN为基础完成一个CIFAR-10图像识别应用。

一、CNN相关理论

CNN（Convolutional Neural Network，卷积神经网络）是DNN（深度神经网络，泛指全连接层）中一个非常重要的并且应用广泛的分支，CNN自从被提出在图像处理领域得到了大量应用。

卷积神经网络按照层级可以分为5层：数据输入层、卷积层、激活层、池化层和全连接层。

1.1 数据输入层

数据输入层主要是对原始图像数据进行预处理。

1.2 卷积层 Conv

卷积层通过卷积计算将样本数据进行降维采样，以获取具有空间关系特征的数据。

1.3 激活层

激活层对数据进行非线性变换处理，目的是对数据维度进行扭曲来获得更多连续的概率密度空间。在CNN中，激活层一般采用的激活函数是ReLU，它具有收敛快、求梯度简单等特点。

1.4 失活层 Dropout

失活层d1 : Dropout极大简化了训练时神经网络的复杂度，加快了神经网络的训练速度; Dropout的主要作用是防止神经网络的过拟合，提高了神经网络的泛化性。

1.5 池化层 Pool

池化层夹在连续的卷积层中间，用于压缩数据的维度以减少过拟合。当采用最大池化策略时，可以采用最大值来代替一个区域的像素特征，这样就相当于忽略了这个区域的其他像素值，大幅度降低了数据采样维度。

1.6 Flatten层

Flatten层将图片矩阵拉平：经过卷积和池化完成特征提取,紧接着是全连接层,需要将图片的三个维度长宽数据压平成一个维度,可以减少参数。

1.7 批量池化层 BatchNormalization

批量池化层 BatchNormalization 进行归一化处理，是一个用于优化训练神经网络的技巧，让数据在训练过程中保持同一分布，在每一个隐藏层进行批量归一化。对于每一个batch，计算该batch的均值与方差，在将线性计算结果送入激活函数之前，先对计算结果进行批量归一化处理，即减均值、除标准差，保证计算结果符合均值为0，方差为1的标准正态分布，然后再将计算结果作为激活函数的输入值进行计算。

1.8 全连接层 DNN

全连接层在所有的神经网络层级之间都有权重连接，最终连接到输出层。在进行模型训练时，神经网络会自动调整层级之间的权重以达到拟合数据的目的。

源码：

# 导入需要的依赖包
import tensorflow as tf
import getConfig# 初始化一个字典，用于存放配置获取函数返回的配置参数
gConfig = {}
gConfig = getConfig.get_config(config_file='config.ini')'''在cnnModel实现上我们采用了tf.keras这个高阶API类,定义了四层卷积神经网络，输出维度分别是32、64、128和256,最后在输出层定义了四层全连接神经网络，输出维度分别是256、128、64和10。在定义卷积神经网络过程中，按照一个卷积神经网络标准的结构进行定义，使用最大池化（maxpooling）策略进行降维特征提取，使用Dropout防止过拟合。
'''# 定义cnnModel方法类,在执行器中可以世界实例化一个CNN进行训练
class cnnModel(object):def __init__(self, rate):# 初始化Dropout神经元失效的概率self.rate = ratedef createModel(self):# 创建Sequential序列对象,通过add添加所需的网络层model = tf.keras.Sequential()'''tf.keras.layers.Conv2D: 使用Conv2D可以创建一个卷积核来对输入数据进行卷积计算，然后输出结果，其创建的卷积核可以处理二维数据。'''# 卷积层conv1: 输出数据维度为64,卷积核维度为3x3,输入数据维度为:[32,32,3]model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64, 3,kernel_initializer='he_normal',strides=1,activation='relu',padding='same',input_shape=(32, 32, 3),name="conv1"))# 卷积层conv2: 输出数据维度为64,卷积核维度为3x3model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64, 3,kernel_initializer='he_normal',strides=1,activation='relu',padding='same',name="conv2"))# 池化层pool1: 在一个2×2的像素区域内取一个像素最大值作为该区域的像素特征model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D((2, 2),strides=2,padding='valid',name="pool1"))# 失活层d1 : Dropout极大简化了训练时神经网络的复杂度，加快了神经网络的训练速度;#           Dropout的主要作用是防止神经网络的过拟合，提高了神经网络的泛化性。model.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=self.rate,name="d1"))# 批量池化层BatchNormalizationmodel.add(tf.keras.layers.BatchNormalization())# 卷积层conv3model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128, 3,kernel_initializer='he_normal',strides=1,activation='relu',padding='same',name="conv3"))# 卷积层conv4model.add(tf.keras.layers.Conv2D(128, 3,kernel_initializer='he_normal',strides=1,activation='relu',padding='same',name="conv4"))# 池化层pool2: 在一个2×2的像素区域内取一个像素最大值作为该区域的像素特征model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D((2, 2),strides=2,padding='valid',name="pool2"))# 失活层d2model.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=self.rate,name="d2"))# 批量池化层BatchNormalizationmodel.add(tf.keras.layers.BatchNormalization())# 卷积层conv5model.add(tf.keras.layers.Conv2D(256, 3,kernel_initializer='he_normal',strides=1,activation='relu',padding='same',name="conv5"))# 卷积层conv6model.add(tf.keras.layers.Conv2D(256, 3,kernel_initializer='he_normal',strides=1,activation='relu',padding='same',name="conv6"))# 池化层pool3: 在一个2×2的像素区域内取一个像素最大值作为该区域的像素特征model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D((2, 2),strides=2,padding='valid',name="pool3"))# 失活层d3model.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=self.rate,name="d3"))# 批量池化层BatchNormalizationmodel.add(tf.keras.layers.BatchNormalization())# Flatten层将图片矩阵拉平:# 经过卷积和池化完成特征提取,紧接着是全连接层,需要将图片的三个维度长宽数据压平成一个维度,可以减少参数model.add(tf.keras.layers.Flatten(name="flatten"))# Dropout层d4model.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=self.rate,name="d4"))# 全连接层model.add(tf.keras.layers.Dense(128,activation='relu',kernel_initializer='he_normal'))# Dropout层d5model.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=self.rate,name="d5"))# 最后的输出层,项目是进行图像10分类,输出的维度是10;# 使用softmax作为激活函数,softmax是一个在多分类问题上使用的激活函数model.add(tf.keras.layers.Dense(10,activation='softmax',kernel_initializer='he_normal'))# 设计完神经网络后,需要对网络模型进行编译、生成可以训练的模型;# 进行编译时,需要定义损失函数loss、优化器optimizer、模型评价标准metricsmodelpile(loss='categorical_crossentropy',optimizer='adam',metrics=['accuracy'])return model