譯者 | 陳峻

審校 | 孫淑娟

眾所周知，人類在很小的時候就學會了識別和標記自己所看到的事物。如今，隨著機器學習和深度學習算法的不斷迭代，計算機已經(jīng)能夠以非常高的精度，對捕獲到的圖像進行大規(guī)模的分類了。目前，此類先進算法的應用場景已經(jīng)涵括到了包括：解讀肺部掃描影像是否健康，通過移動設(shè)備進行面部識別，以及為零售商區(qū)分不同的消費對象類型等領(lǐng)域。

下面，我將和您共同探討計算機視覺（Computer Vision）的一種應用——圖像分類，并逐步展示如何使用TensorFlow，在小型圖像數(shù)據(jù)集上進行模型的訓練。

1、數(shù)據(jù)集和目標

在本示例中，我們將使用MNIST數(shù)據(jù)集的從0到9的數(shù)字圖像。其形態(tài)如下圖所示：

我們訓練該模型的目的是為了將圖像分類到其各自的標簽下，即：它們在上圖中各自對應的數(shù)字處。通常，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會提供一個輸入、一個輸出、兩個隱藏層（Hidden Layers）和一個用于訓練模型的Dropout層。而CNN或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network）是識別較大圖像的首選，它能夠在減少輸入量的同時，捕獲到相關(guān)的信息。

2、準備工作

首先，讓我們通過TensorFlow、to_categorical（用于將數(shù)字類的值轉(zhuǎn)換為其他類別）、Sequential、Flatten、Dense、以及用于構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的 Dropout，來導入所有相關(guān)的代碼庫。您可能會對此處提及的部分代碼庫略感陌生。我會在下文中對它們進行詳細的解釋。

3、超參數(shù)

• 我將通過如下方面，來選擇正確的超參數(shù)集：
• 
  
• 首先，讓我們定義一些超參數(shù)作為起點。后續(xù)，您可以針對不同的需求，對其進行調(diào)整。在此，我選擇了128作為較小的批量尺寸（batch size）。其實，批量尺寸可以取任何值，但是2的冪次方大小往往能夠提高內(nèi)存的效率，因此應作為首選。值得注意的是，在決定合適的批量尺寸時，其背后的主要參考依據(jù)是：過小的批量尺寸會使收斂過于繁瑣，而過大的批量尺寸則可能并不適合您的計算機內(nèi)存。
• 讓我們將epoch（訓練集中每一個樣本都參與一次訓練）的數(shù)量保持為50 ，以實現(xiàn)對模型的快速訓練。epoch數(shù)值越低，越適合小而簡單的數(shù)據(jù)集。
• 接著，您需要添加隱藏層。在此，我為每個隱藏層都保留了128個神經(jīng)元。當然，你也可以用64和32個神經(jīng)元進行測試。就本例而言，像MINST這樣的簡單數(shù)據(jù)集，我并不建議使用較高的數(shù)值。
• 您可以嘗試不同的學習率（learning rate），例如0.01、0.05和0.1。在本例中，我將其保持為0.01。
• 對于其他超參數(shù)，我將衰減步驟（decay steps）和衰減率（decay rate）分別選擇為2000和0.9。而隨著訓練的進行，它們可以被用來降低學習率。
• 在此，我選擇Adamax作為優(yōu)化器。當然，您也可以選擇諸如Adam、RMSProp、SGD等其他優(yōu)化器。

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Flatten, Dense, Dropout
params = {
    'dropout': 0.25,
    'batch-size': 128,
    'epochs': 50,
    'layer-1-size': 128,
    'layer-2-size': 128,
    'initial-lr': 0.01,
    'decay-steps': 2000,
    'decay-rate': 0.9,
    'optimizer': 'adamax'
}
mnist = tf.keras.datasets.mnist  
num_class = 10
# split between train and test sets
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
# reshape and normalize the data
x_train = x_train.reshape(60000, 784).astype("float32")/255
x_test = x_test.reshape(10000, 784).astype("float32")/255
# convert class vectors to binary class matrices
y_train = to_categorical(y_train, num_class)
y_test = to_categorical(y_test, num_class)

4、創(chuàng)建訓練和測試集

由于TensorFlow庫也包括了MNIST數(shù)據(jù)集，因此您可以通過調(diào)用對象上的 datasets.mnist ，再調(diào)用load_data() 的方法，來分別獲取訓練（60,000個樣本）和測試（10,000個樣本）的數(shù)據(jù)集。

接著，您需要對訓練和測試的圖像進行整形和歸一化。其中，歸一化會將圖像的像素強度限制在0和1之間。

最后，我們使用之前已導入的to_categorical 方法，將訓練和測試標簽轉(zhuǎn)換為已分類標簽。這對于向TensorFlow框架傳達輸出的標簽（即：0到9）為類（class），而不是數(shù)字類型，是非常重要的。

5、設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

下面，讓我們來了解如何在細節(jié)上設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

我們通過添加Flatten ，將2D圖像矩陣轉(zhuǎn)換為向量，以定義DNN（深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)構(gòu)。輸入的神經(jīng)元在此處對應向量中的數(shù)字。

接著，我使用Dense() 方法，添加兩個隱藏的密集層，并從之前已定義的“params”字典中提取各項超參數(shù)。我們可以將“relu”（Rectified Linear Unit）作為這些層的激活函數(shù)。它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層中最常用的激活函數(shù)之一。

然后，我們使用Dropout方法添加Dropout層。它將被用于在訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，避免出現(xiàn)過擬合（overfitting）。畢竟，過度擬合模型傾向于準確地記住訓練集，并且無法泛化那些不可見（unseen）的數(shù)據(jù)集。

輸出層是我們網(wǎng)絡(luò)中的最后一層，它是使用Dense() 方法來定義的。需要注意的是，輸出層有10個神經(jīng)元，這對應于類（數(shù)字）的數(shù)量。

# Model Definition
# Get parameters from logged hyperparameters
model = Sequential([
Flatten(input_shape=(784, )),
Dense(params('layer-1-size'), activatinotallow='relu'),
Dense(params('layer-2-size'), activatinotallow='relu'),
Dropout(params('dropout')),
Dense(10)
])
lr_schedule =
tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
initial_learning_rate=experiment.get_parameter('initial-lr'),
decay_steps=experiment.get_parameter('decay-steps'),
decay_rate=experiment.get_parameter('decay-rate')
)
loss_fn = tf.keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True)
model.compile(optimizer='adamax',
loss=loss_fn,
metrics=['accuracy'])
model.fit(x_train, y_train,
batch_size=experiment.get_parameter('batch-size'),
epochs=experiment.get_parameter('epochs'),
validation_data=(x_test, y_test),)
score = model.evaluate(x_test, y_test)
# Log Model
model.save('tf-mnist-comet.h5')

6、訓練

至此，我們已經(jīng)定義好了架構(gòu)。下面讓我們用給定的訓練數(shù)據(jù)，來編譯和訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

首先，我們以初始學習率、衰減步驟和衰減率作為參數(shù)，使用ExponentialDecay（指數(shù)衰減學習率）來定義學習率計劃。

其次，將損失函數(shù)定義為CategoricalCrossentropy（用于多類式分類）。

接著，通過將優(yōu)化器 (即：adamax)、損失函數(shù)、以及各項指標（由于所有類都同等重要、且均勻分布，因此我選擇了準確性）作為參數(shù)，來編譯模型。

然后，我們通過使用x_train、y_train、batch_size、epochs和validation_data去調(diào)用一個擬合方法，并擬合出模型。

同時，我們調(diào)用模型對象的評估方法，以獲得模型在不可見數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)分數(shù)。

最后，您可以使用在模型對象上調(diào)用的save方法，保存要在生產(chǎn)環(huán)境中部署的模型對象。

7、小結(jié)

綜上所述，我們討論了為圖像分類任務，訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些入門級的知識。您可以將其作為熟悉使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進行圖像分類的一個起點。據(jù)此，您可了解到該如何選擇正確的參數(shù)集、以及架構(gòu)背后的思考邏輯。

原文鏈接：https://www.kdnuggets.com/2022/12/guide-train-image-classification-model-tensorflow.html