深度学习Week18——学习残差网络和ResNet-50算法

文章目录
深度学习Week18——学习残差网络和ResNet-50算法
一、前言
二、我的环境
三、前期工作
1、配置环境
2、导入数据
2.1 加载数据
2.2 配置数据集
2.3 数据可视化
2.4 再次检查数据
四、构建ResNet-50网络模型
五、编译模型
六、训练模型
七、模型评估
八、指定图片预测
九、其他

一、前言

• 🍨 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 | 接辅导、项目定制

本周学习主要了解到何恺明大佬提出的深度残差网络
在之前的17周练习中，我们常常碰见：当前广泛使用的优化器，无论是SGD，还是RMSProp，或是Adam都无法在网络深度变大后达到理论上最优的收敛结果。
准确率下降问题不是网络结构本身的问题，而是现有的训练方式不够理想造成的。

二、我的环境

• 电脑系统：Windows 10
• 语言环境：Python 3.8.0
• 编译器：Pycharm2023.2.3
  深度学习环境：TensorFlow
  显卡及显存：RTX 3060 8G

三、前期工作

1、配置环境

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")

import matplotlib.pyplot as plt
# 支持中文
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号

import os,PIL,pathlib
import numpy as np

from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers,models

2、 导入数据

导入所有数据，依次分别为训练集图片(train_images)、训练集标签(train_labels)、测试集图片(test_images)、测试集标签(test_labels)，数据集来源于K同学啊

2.1 加载数据

data_dir = "/home/mw/input/J1datas9827/bird_photos/bird_photos"

data_dir = pathlib.Path(data_dir)

image_count = len(list(data_dir.glob('*/*')))

print("图片总数是：", image_count)

图片总数是： 565

2.2 配置数据集

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)

使用image_dataset_from_directory方法将磁盘中的数据加载到tf.data.Dataset中
tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory()会将文件夹中的数据加载到tf.data.Dataset中，且加载的同时会打乱数据。

• class_names
• validation_split: 0和1之间的可选浮点数，可保留一部分数据用于验证。
• subset: training或validation之一。仅在设置validation_split时使用。
• seed: 用于shuffle和转换的可选随机种子。
• batch_size: 数据批次的大小。默认值：32
• image_size: 从磁盘读取数据后将其重新调整大小。默认：（256，256）。由于管道处理的图像批次必须具有相同的大小，因此该参数必须提供。

输出：

Found 565 files belonging to 4 classes.
Using 452 files for training.

由于原始的数据集里不包含测试集，所以我们需要自己创建一个

# 测试集
val_ds = tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
    data_dir,
    validation_split=0.2,
    subset="validation",
    seed=123,
    image_size=(img_height, img_width),
    batch_size=batch_size)

Found 565 files belonging to 4 classes.
Using 113 files for validation.

我们可以通过class_names输出数据集的标签。标签将按字母顺序对应于目录名称。

# 用class_names输出数据集的标签
class_names = train_ds.class_names
print(class_names)

[‘Bananaquit’, ‘Black Skimmer’, ‘Black Throated Bushtiti’, ‘Cockatoo’]

2.3 数据可视化

plt.figure(figsize=(10, 5))  # 图形的宽为10高为5
plt.suptitle("源项目：K同学啊；学习：hanon")

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")

plt.imshow(images[0].numpy().astype("uint8"))

2.4 再次检查数据

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

(8, 224, 224, 3)
(8,)

四 、构建ResNet-50网络模型

AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

train_ds = train_ds.cache().shuffle(1000).prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
val_ds = val_ds.cache().prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)

from keras import layers

from keras.layers import Input,Activation,BatchNormalization,Flatten
from keras.layers import Dense,Conv2D,MaxPooling2D,ZeroPadding2D,AveragePooling2D
from keras.models import Model

def identity_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block):

    filters1, filters2, filters3 = filters

    name_base = str(stage) + block + '_identity_block_'

    x = Conv2D(filters1, (1, 1), name=name_base + 'conv1')(input_tensor)
    x = BatchNormalization(name=name_base + 'bn1')(x)
    x = Activation('relu', name=name_base + 'relu1')(x)

    x = Conv2D(filters2, kernel_size,padding='same', name=name_base + 'conv2')(x)
    x = BatchNormalization(name=name_base + 'bn2')(x)
    x = Activation('relu', name=name_base + 'relu2')(x)

    x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=name_base + 'conv3')(x)
    x = BatchNormalization(name=name_base + 'bn3')(x)

    x = layers.add([x, input_tensor] ,name=name_base + 'add')
    x = Activation('relu', name=name_base + 'relu4')(x)
    return x

# 在残差网络中，广泛地使用了BN层；但是没有使用MaxPooling以便减小特征图尺寸，
# 作为替代，在每个模块的第一层，都使用了strides = (2, 2)的方式进行特征图尺寸缩减，
# 与使用MaxPooling相比，毫无疑问是减少了卷积的次数，输入图像分辨率较大时比较适合
# 在残差网络的最后一级，先利用layer.add()实现H(x) = x + F(x)
def conv_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block, strides=(2, 2)):

    filters1, filters2, filters3 = filters

    res_name_base = str(stage) + block + '_conv_block_res_'
    name_base = str(stage) + block + '_conv_block_'

    x = Conv2D(filters1, (1, 1), strides=strides, name=name_base + 'conv1')(input_tensor)
    x = BatchNormalization(name=name_base + 'bn1')(x)
    x = Activation('relu', name=name_base + 'relu1')(x)

    x = Conv2D(filters2, kernel_size, padding='same', name=name_base + 'conv2')(x)
    x = BatchNormalization(name=name_base + 'bn2')(x)
    x = Activation('relu', name=name_base + 'relu2')(x)

    x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=name_base + 'conv3')(x)
    x = BatchNormalization(name=name_base + 'bn3')(x)

    shortcut = Conv2D(filters3, (1, 1), strides=strides, name=res_name_base + 'conv')(input_tensor)
    shortcut = BatchNormalization(name=res_name_base + 'bn')(shortcut)

    x = layers.add([x, shortcut], name=name_base+'add')
    x = Activation('relu', name=name_base+'relu4')(x)
    return x

def ResNet50(input_shape=[224,224,3],classes=1000):

    img_input = Input(shape=input_shape)
    x = ZeroPadding2D((3, 3))(img_input)

    x = Conv2D(64, (7, 7), strides=(2, 2), name='conv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='bn_conv1')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    x = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2))(x)

    x =     conv_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='a', strides=(1, 1))
    x = identity_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='c')

    x =     conv_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='a')
    x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='c')
    x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='d')

    x =     conv_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='a')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='c')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='d')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='e')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='f')

    x =     conv_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='a')
    x = identity_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='c')

    x = AveragePooling2D((7, 7), name='avg_pool')(x)

    x = Flatten()(x)
    x = Dense(classes, activation='softmax', name='fc1000')(x)

    model = Model(img_input, x, name='resnet50')
    
    # 加载预训练模型，这里输入你的预训练模型存放的地址
    model.load_weights("/home/mw/input/J1datas9827/resnet50_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels.h5")

    return model

model = ResNet50()
model.summary()

______________________________________________________________________________________________
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
===========================================================================================
input_2 (InputLayer)            [(None, 224, 224, 3) 0                                            
______________________________________________________________________________________________
zero_padding2d_1 (ZeroPadding2D (None, 230, 230, 3)  0           input_2[0][0]                    
______________________________________________________________________________________________
conv1 (Conv2D)                  (None, 112, 112, 64) 9472        zero_padding2d_1[0][0]           
______________________________________________________________________________________________
bn_conv1 (BatchNormalization)   (None, 112, 112, 64) 256         conv1[0][0]                      
______________________________________________________________________________________________
activation_1 (Activation)       (None, 112, 112, 64) 0           bn_conv1[0][0]                   
______________________________________________________________________________________________
max_pooling2d_1 (MaxPooling2D)  (None, 55, 55, 64)   0           activation_1[0][0]               
______________________________________________________________________________________________
2a_conv_block_conv1 (Conv2D)    (None, 55, 55, 64)   4160        max_pooling2d_1[0][0]            
______________________________________________________________________________________________
2a_conv_block_bn1 (BatchNormali (None, 55, 55, 64)   256         2a_conv_block_conv1[0][0]        
______________________________________________________________________________________________
省略…………………………
______________________________________________________________________________________________
5a_conv_block_conv3 (Conv2D)    (None, 7, 7, 2048)   1050624     5a_conv_block_relu2[0][0]        
______________________________________________________________________________________________
5a_conv_block_res_conv (Conv2D) (None, 7, 7, 2048)   2099200     4f_identity_block_relu4[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5a_conv_block_bn3 (BatchNormali (None, 7, 7, 2048)   8192        5a_conv_block_conv3[0][0]        
______________________________________________________________________________________________
5a_conv_block_res_bn (BatchNorm (None, 7, 7, 2048)   8192        5a_conv_block_res_conv[0][0]     
______________________________________________________________________________________________
5a_conv_block_add (Add)         (None, 7, 7, 2048)   0           5a_conv_block_bn3[0][0]          5a_conv_block_res_bn[0][0]       
______________________________________________________________________________________________5a_conv_block_relu4 (Activation (None, 7, 7, 2048)   0           5a_conv_block_add[0][0]          
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_conv1 (Conv2D (None, 7, 7, 512)    1049088     5a_conv_block_relu4[0][0]        
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_bn1 (BatchNor (None, 7, 7, 512)    2048        5b_identity_block_conv1[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_relu1 (Activa (None, 7, 7, 512)    0           5b_identity_block_bn1[0][0]      
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_conv2 (Conv2D (None, 7, 7, 512)    2359808     5b_identity_block_relu1[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_bn2 (BatchNor (None, 7, 7, 512)    2048        5b_identity_block_conv2[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_relu2 (Activa (None, 7, 7, 512)    0           5b_identity_block_bn2[0][0]      
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_conv3 (Conv2D (None, 7, 7, 2048)   1050624     5b_identity_block_relu2[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_bn3 (BatchNor (None, 7, 7, 2048)   8192        5b_identity_block_conv3[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_add (Add)     (None, 7, 7, 2048)   0           5b_identity_block_bn3[0][0]      5a_conv_block_relu4[0][0]        
______________________________________________________________________________________________
5b_identity_block_relu4 (Activa (None, 7, 7, 2048)   0           5b_identity_block_add[0][0]      
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_conv1 (Conv2D (None, 7, 7, 512)    1049088     5b_identity_block_relu4[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_bn1 (BatchNor (None, 7, 7, 512)    2048        5c_identity_block_conv1[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_relu1 (Activa (None, 7, 7, 512)    0           5c_identity_block_bn1[0][0]      
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_conv2 (Conv2D (None, 7, 7, 512)    2359808     5c_identity_block_relu1[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_bn2 (BatchNor (None, 7, 7, 512)    2048        5c_identity_block_conv2[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_relu2 (Activa (None, 7, 7, 512)    0           5c_identity_block_bn2[0][0]      
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_conv3 (Conv2D (None, 7, 7, 2048)   1050624     5c_identity_block_relu2[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_bn3 (BatchNor (None, 7, 7, 2048)   8192        5c_identity_block_conv3[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_add (Add)     (None, 7, 7, 2048)   0           5c_identity_block_bn3[0][0]      5b_identity_block_relu4[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
5c_identity_block_relu4 (Activa (None, 7, 7, 2048)   0           5c_identity_block_add[0][0]      
______________________________________________________________________________________________
avg_pool (AveragePooling2D)     (None, 1, 1, 2048)   0           5c_identity_block_relu4[0][0]    
______________________________________________________________________________________________
flatten_1 (Flatten)             (None, 2048)         0           avg_pool[0][0]                   
______________________________________________________________________________________________
fc1000 (Dense)                  (None, 1000)         2049000     flatten_1[0][0]                  
=========================================================================================
Total params: 25,636,712
Trainable params: 25,583,592
Non-trainable params: 53,120
______________________________________________________________________________________________

五、编译模型

# 设置学习率，我们使用不同的学习率
opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-5)

model.compile(optimizer="adam",
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

六、训练模型

epochs = 10

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

Epoch 1/10
57/57 [==============================] - 27s 138ms/step - loss: 2.3737 - accuracy: 0.6071 - val_loss: 4607.0063 - val_accuracy: 0.2655
Epoch 2/10
57/57 [==============================] - 6s 100ms/step - loss: 0.5559 - accuracy: 0.7980 - val_loss: 59.8738 - val_accuracy: 0.2301
Epoch 3/10
57/57 [==============================] - 6s 100ms/step - loss: 0.3012 - accuracy: 0.9086 - val_loss: 28.0947 - val_accuracy: 0.2743
Epoch 4/10
57/57 [==============================] - 6s 101ms/step - loss: 0.1443 - accuracy: 0.9562 - val_loss: 0.3001 - val_accuracy: 0.9381
Epoch 5/10
57/57 [==============================] - 6s 101ms/step - loss: 0.0551 - accuracy: 0.9870 - val_loss: 8.5784 - val_accuracy: 0.6195
Epoch 6/10
57/57 [==============================] - 6s 101ms/step - loss: 0.0492 - accuracy: 0.9879 - val_loss: 0.2026 - val_accuracy: 0.9204
Epoch 7/10
57/57 [==============================] - 6s 101ms/step - loss: 0.0308 - accuracy: 0.9900 - val_loss: 1.6341 - val_accuracy: 0.5929
Epoch 8/10
57/57 [==============================] - 6s 102ms/step - loss: 0.0839 - accuracy: 0.9744 - val_loss: 0.2057 - val_accuracy: 0.9646
Epoch 9/10
57/57 [==============================] - 6s 102ms/step - loss: 0.1811 - accuracy: 0.9524 - val_loss: 2.8686 - val_accuracy: 0.5929
Epoch 10/10
57/57 [==============================] - 6s 102ms/step - loss: 0.1442 - accuracy: 0.9542 - val_loss: 0.9458 - val_accuracy: 0.8142

七、模型评估

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.suptitle("源项目：K同学啊；学习：hanon；学习率：1e-5")

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()

八、指定图片预测

# 采用加载的模型（new_model）来看预测结果

plt.figure(figsize=(10, 5))  # 图形的宽为10高为5
plt.suptitle("源项目：K同学啊；学习：hanon")

for images, labels in val_ds.take(1):
    for i in range(8):
        ax = plt.subplot(2, 4, i + 1)  
        
        # 显示图片
        plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
        
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(images[i], 0) 
        
        # 使用模型预测图片中的人物
        predictions = model.predict(img_array)
        plt.title(class_names[np.argmax(predictions)])

        plt.axis("off")

九、其他

何恺明大佬在论文中提到：随着神经网络深度的增加，训练变得更困难，出现了梯度消失或爆炸的问题，以及准确度饱和后迅速下降的退化问题，这也是深度学习领域中的两朵乌云：

拓展： 深度神经网络的“两朵乌云”

1. 梯度弥散/爆炸
   简单来讲就是网络太深了，会导致模型训练难以收敛。这个问题可以被标准初始化和中间层正规化的方法有效控制。
   a. 比如我们在一个山谷里面大喊，如果山谷非常深，回声可能会变得非常非常小，几乎听不见。
   在神经网络中，梯度弥散就像这个回声一样。当训练一个很深的网络时，从最后一层传回第一层的梯度（也就是告诉每一层怎么调整的信号）可能会变得非常小，就像声音在传播过程中逐渐减弱，导致前面的层几乎得不到有效的学习信号。
   b. 又比如我们在房间里大喊一声，声音在房间里反复反射，变得越来越大。如果这个声音（梯度）没有得到控制，它可能会变得极其响亮，以至于你无法分辨出任何有用的东西。
   在神经网络中，梯度爆炸就是梯度在传播过程中变得非常大，导致网络的权重更新过于剧烈，学习过程变得不稳定，甚至导致网络完全失效。
2. 网络退化
   随着网络深度增加，网络的表现先是逐渐增加至饱和，然后迅速下降，这个退化不是由于过拟合引起的
   就如传话游戏。在这个游戏中，一组人站成一排，第一个人得到一个消息，然后他小声告诉下一个人，下一个人再告诉下一个，依此类推。理论上，如果有更多的人参与，你可以传递更长的消息。可事实上，信息的内容总是逐渐增加至饱和，然后迅速下降，当消息传到队尾时，消息可能会变得模糊不清，甚至完全变了样。

为了解决这些问题，大佬使用了一种名为残差块（Residual Block）的方式，一种包含快捷连接（Shortcut Connections）的构建模块，这些连接可以跳过一层或多层，简化了网络的输出与输入之间的关系。通过下图（图片来源K同学啊），我们可以很直白的理解残差网络是如何解决上面两个问题的。

就如我们本周打卡的内容，假设有一个五层的神经网络，输入是一张图片，我们希望网络能够识别出图片中的鸟的品类。在残差网络中，除了正常的层级结构，我们在网络的某两层之间增加了一个“快捷连接”如第二层和第四层。这样，第二层学习到的特征可以直接“传递”到第四层，第四层只需要学习第二层特征和最终输出之间的差异。这样，即使网络很深，每一层的学习任务都变得简单了，整个网络的训练也变得更加容易。
而在传统的神经网络中，信息需要逐层传递，如果某一层学习效果不好，就会影响整个网络的性能。

其实和我们人类学习很像，加入我们正在学习某个知识，我们总会经历以下五个阶段：

1. 基础技能：一开始，你学习了一些基础和简单的知识，这就像是神经网络的前几层，它们学习了一些基本的特征识别能力。

2. 技能提升：随着时间的推移，你开始学习更复杂的知识和技巧，这就像是网络的中间层，它们在基础特征上进一步学习更复杂的模式。

3. 瓶颈期：但是，你可能会到达一个点，感觉无论怎么练习，提高都很有限。这就像深层网络训练时遇到的退化问题，网络的深层似乎不再学习新的东西，性能提升停滞。

4. 残差学习：这时候，如果你采取一种不同的学习方法，比如回顾并改进你的基础，确保对每个知识点掌握的更熟，对比学习现在遇到的难题和自己已掌握的基础的差别（残差）就能在现有的基础上继续提升。这就像是残差网络中的“快捷连接”，它允许网络层直接学习相对于前面层的“残差”或改进，而传统网络可能就重新开始学习新的复杂学习。

5. 持续进步：通过不断地在基础和复杂技巧之间循环，你能够持续提升你的水平，即使在达到高水平后也能继续进步。这与残差网络的工作方式相似，网络能够通过学习残差来持续优化深层的特征表示，从而提高整体的性能。
   以上为本周打卡内容。