CIFAR-10数据集详析：使用卷积神经网络训练图像分类模型

1.数据集介绍

CIFAR-10 数据集由 10 个类的 60000 张 32x32 彩色图像组成，每类 6000 张图像。有 50000 张训练图像和 10000 张测试图像。
数据集分为5个训练批次和1个测试批次，每个批次有10000张图像。测试批次正好包含从每个类中随机选择的 1000 张图像。训练批次以随机顺序包含剩余的图像，但某些训练批次可能包含来自一个类的图像多于另一个类的图像。在它们之间，训练批次正好包含来自每个类的 5000 张图像。

总结：

Size（大小）: 32×32 RGB图像，数据集本身是 BGR 通道
Num（数量）: 训练集 50000 和测试集 10000，一共60000张图片
Classes（十种类别）: plane（飞机）， car（汽车），bird（鸟），cat（猫），deer（鹿），dog（狗），frog（蛙类），horse（马），ship（船），truck（卡车）
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数据集文件夹

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CIFAR-100数据集（拓展）

这个数据集与CIFAR-10类似，只不过它有100个类，每个类包含600个图像。每个类有500个训练图像和100个测试图像。CIFAR-100中的100个子类被分为20个大类。每个图像都有一个“fine”标签(它所属的子类)和一个“coarse”标签(它所属的大类)。

CIFAR-10数据集与MNIST数据集对比

维度不同：CIFAR-10数据集有4个维度，MNIST数据集有3个维度（CIRAR-10的四维: 一次的样本数量, 图片高, 图片宽, 图通道数 -> N H W C；MNIST的三维: 一次的样本数量, 图片高, 图片宽 -> N H W）
图像类型不同：CIFAR-10数据集是RGB图像（有三个通道），MNIST数据集是灰度图像，这也是为什么CIFAR-10数据集比MNIST数据集多出一个维度的原因。
图像内容不同：CIFAR-10数据集展示的是各种不同的物体（猫、狗、飞机、汽车…），MNIST数据集展示的是不同人的手写0~9数字。

2.数据集读取

读取数据集

选取data_batch_1可视化其中一张图：

def unpickle(file):
    import pickle
    with open(file, 'rb') as fo:
        dict = pickle.load(fo, encoding='bytes')
    return dict
dict = unpickle('D:\PycharmProjects\model-fuxian\CIFAR\cifar-10-batches-py\data_batch_1')
print(dict)

输出结果：
一批次的数据集中有4个字典键，我们需要用到的就是数据标签和数据内容（10000×32×32×3，10000张32×32大小为rgb三通道的图片）
在这里插入图片描述
输出的是一个字典：

{
b’batch_label’: b’training batch 1 of 5’,
b’labels’: [6, 9 … 1,5],
b’data’: array([[ 59, 43, …, 84, 72],…[ 62, 61, 60, …, 130, 130, 131]], dtype=uint8),
b’filenames’: [b’leptodactylus_pentadactylus_s_000004.png’,…b’cur_s_000170.png’]
}

其中，各个代表的意思如下：
b’batch_label’ ： 所属文件集
b’labels’ ： 图片标签
b’data’ ：图片数据
b’filename’ ：图片名称

读取类型

print(type(dict[b'batch_label']))
print(type(dict[b'labels']))
print(type(dict[b'data']))
print(type(dict[b'filenames']))

输出结果：

<class ‘bytes’>
<class ‘list’>
<class ‘numpy.ndarray’>
<class ‘list’>

读取图片

img = dict[b'data']
print(img.shape)

输出结果：(10000, 3072)，其中 3072 = 32 * 32 * 3 （图片 size）

3.数据集调用

TensorFlow 调用

from tensorflow.keras.datasets import cifar10

(x_train,y_train), (x_test, y_test) = cifar10.load_data()

本地调用

def unpickle(file):
    import pickle
    with open(file, 'rb') as fo:
        dict = pickle.load(fo, encoding='bytes')
    return dict
dict = unpickle('D:\PycharmProjects\model-fuxian\CIFAR\cifar-10-batches-py\data_batch_1')

4.卷积神经网络训练

此处参考：传送门

1.指定GPU

gpus = tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU')
tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0],True)
#初始化
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']

2.加载数据

cifar10 = tf.keras.datasets.cifar10
(train_x,train_y),(test_x,test_y) = cifar10.load_data()
print('\n train_x:%s, train_y:%s, test_x:%s, test_y:%s'%(train_x.shape,train_y.shape,test_x.shape,test_y.shape))

3.数据预处理

X_train,X_test = tf.cast(train_x/255.0,tf.float32),tf.cast(test_x/255.0,tf.float32)     #归一化
y_train,y_test = tf.cast(train_y,tf.int16),tf.cast(test_y,tf.int16)

4.建立模型

adam算法参数采用keras默认的公开参数，损失函数采用稀疏交叉熵损失函数，准确率采用稀疏分类准确率函数

model = tf.keras.Sequential()
##特征提取阶段
#第一层
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(16,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu,data_format='channels_last',input_shape=X_train.shape[1:]))  #卷积层，16个卷积核，大小（3，3），保持原图像大小，relu激活函数，输入形状（28，28，1）
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(16,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu))
model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2,2)))   #池化层，最大值池化，卷积核（2，2）
#第二层
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu))
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu))
model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2,2)))
##分类识别阶段
#第三层
model.add(tf.keras.layers.Flatten())    #改变输入形状
#第四层
model.add(tf.keras.layers.Dense(128,activation='relu'))     #全连接网络层，128个神经元，relu激活函数
model.add(tf.keras.layers.Dense(10,activation='softmax'))   #输出层，10个节点
print(model.summary())      #查看网络结构和参数信息

#配置模型训练方法
model.compile(optimizer='adam',loss='sparse_categorical_crossentropy',metrics=['sparse_categorical_accuracy'])

5.训练模型

批量训练大小为64，迭代5次，测试集比例0.2（48000条训练集数据，12000条测试集数据）

history = model.fit(X_train,y_train,batch_size=64,epochs=5,validation_split=0.2)

6.评估模型

model.evaluate(X_test,y_test,verbose=2)     #每次迭代输出一条记录，来评价该模型是否有比较好的泛化能力

#保存整个模型
model.save('CIFAR10_CNN_weights.h5')

7.结果可视化

print(history.history)
loss = history.history['loss']          #训练集损失
val_loss = history.history['val_loss']  #测试集损失
acc = history.history['sparse_categorical_accuracy']            #训练集准确率
val_acc = history.history['val_sparse_categorical_accuracy']    #测试集准确率

plt.figure(figsize=(10,3))

plt.subplot(121)
plt.plot(loss,color='b',label='train')
plt.plot(val_loss,color='r',label='test')
plt.ylabel('loss')
plt.legend()

plt.subplot(122)
plt.plot(acc,color='b',label='train')
plt.plot(val_acc,color='r',label='test')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()

8.使用模型

plt.figure()
for i in range(10):
    num = np.random.randint(1,10000)
    plt.subplot(2,5,i+1)
    plt.axis('off')
    plt.imshow(test_x[num],cmap='gray')
    demo = tf.reshape(X_test[num],(1,32,32,3))
    y_pred = np.argmax(model.predict(demo))
    plt.title('标签值：'+str(test_y[num])+'\n预测值：'+str(y_pred))
plt.show()

输出结果：
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上面的内容分别是训练样本的损失函数值和准确率、测试样本的损失函数值和准确率，可以看到它每次训练迭代时损失函数和准确率的变化，从最后一次迭代结果上看，测试样本的损失函数值达到0.9123，准确率仅达到0.6839。
这个结果并不是很好，我尝试过增加迭代次数，发现训练样本的损失函数值可以达到0.04，准确率达到0.98；但实际上训练模型却产生了越来越大的泛化误差，这就是训练过度的现象，经过尝试泛化能力最好时是在迭代第5次的状态，故只能选择迭代5次。
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