TensorFlow.NET机器学习入门【7】采用卷积神经网络（CNN）处理Fashion-MNIST

本文将介绍如何采用卷积神经网络（CNN）来处理Fashion-MNIST数据集。

程序流程如下：

1、准备样本数据

2、构建卷积神经网络模型

3、网络学习（训练）

4、消费、测试

除了网络模型的构建，其它步骤都和前面介绍的普通神经网络的处理完全一致，本文就不重复介绍了，重点讲一下模型的构建。

先看代码：

        /// <summary>
        /// 构建网络模型
        /// </summary>
        private Model BuildModel()
        {
            // 网络参数
            float scale = 1.0f / 255;

            var model = keras.Sequential(new List<ILayer>
            {
                keras.layers.Rescaling(scale, input_shape: (img_rows, img_cols, channel)),

                keras.layers.Conv2D(32, 5, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Conv2D(64, 3, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Flatten(),
                keras.layers.Dense(128, activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.Dense(num_classes,activation:keras.activations.Softmax)
            });

            return model;
        }

keras.layers.Conv2D方法创建一个卷积层

keras.layers.MaxPooling2D方法创建一个池化层

卷积层的含义：

如上图所示，原始数据尺寸为5*5，卷积核大小为3*3，当卷积核滑过原始图片时，卷积核和图片对应的数据进行运算（先乘后加），并形成新的数据。

示例的卷积核为[[1,0,1],[0,1,0],[1,0,1]]，和左上角数据卷积后结果为4，填写到对应位置。对整改图片全部滑动一遍，即形成最终结果。

采用卷积神经网络，相对于前面介绍的普通神经网络有什么优势呢？

1、首先，图像本身是一个二维数据，普通网络首先要把数据拉平，这一点就不合理，而卷积网络通过卷积核处理数据，保留了原始数据的基本特征；

2、其次，采用卷积网络大大减小了参数的数量。假设原始图片分辨率为100*100，拉平后长度为10000，后面跟一个全连接层，输出为128，此时参数量为（10000+1）*128，超过128万。这才一个全连接层。如果采用CNN，参数数量取决于卷积核的大小和数量。假设卷积核大小为5*5，数量为32，此时参数数量为：(5*5+1)*32=832。【计算方法下面会详细介绍】

池化层的含义：

池化就是压缩，就是图片数据太大了，通过池化把分辨率减小一些。

池化有均值池化和最大值池化方法，这个很好理解，就是一推数据中取平均值或最大值。MaxPooling2D明显是最大池化法。

我们再看一下这个代码：

keras.layers.Conv2D(32, 5, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),

32表示卷积核数量为32，卷积核大小为5*5，padding: "same"表示对图像进行边缘补零，不然卷积后的图像尺寸会变小，补零后图像尺寸不变。

整体模型摘要信息如下：

下面逐行解释一下：

1、首先输入层的数据Shape为：（28，28，1），28表示图片像素，1表示灰度图片，如果是彩色图片，应该为（28，28，3）

2、Rescaling对数据进行处理，统一乘以一个系数，这里没有需要训练的参数

3、引入一个卷积层，卷积核数量为32，卷积核大小为5*5（图上看不出来），此时参数数量为：（5*5+1）*32=832，这里卷积核尺寸为5*5，所以有25个参数，这很好理解，+1是因为作为卷积计算后还要加一个偏置b，所以每个卷积核共26个参数。由于有32个卷积核，要对同一个图像采用不同的卷积核做32次计算，所以这一层输出数据为（28，28，32）

4、池化层将数据从（28，28，32）压缩到（14，14，32）

5、再引入一个卷积层，卷积核数量为64，卷积核大小为3*3（图上看不出来），这次计算和第一次不太一样：由于上一层数据共有32片，对每一片数据采用的卷积核是不一样的，所以这里实际一共有32*9=288个卷积核。首先用32个卷积核和上述32片数据分别进行卷积形成32片数据，然后将32片数据叠加求和，最后再加一个偏置形成一片新数据，重复进行64次，形成64片新数据。此时参数数量为：（288+1）*64=18496

【注意：这里的算法其实是和第一层卷积算法完全一样的，只是第一层输入为灰度图片，数据只有一片，如果输入为彩色图片，就一致了。】

6、池化层将数据从（14，14，64）压缩到（7，7，64）

7、将数据拉平，拉平后的数据长度为：7*7*64=3136

8、引入全连接层，输出神经元数量为128，此时参数数量为：（3136+1）*128=401536

9、最后为全连接层输出，输出神经元数量为10，参数数量为：（128+1）*10=1290

现在，由于参数数量已经很多了，训练需要的时间也比较长了，所以需要把训练完成后的参数保存下来，下次可以重新加载保存的参数接着训练，不用从头再来。

保存的模型也可以发布到生产系统用于实际的消费。

全部代码如下：

    /// <summary>
    /// 采用卷积神经网络处理Fashion-MNIST数据集
    /// </summary>
    public class CNN_Fashion_MNIST
    {
        private readonly string TrainImagePath = @"D:\Study\Blogs\TF_Net\Asset\fashion_mnist_png\train";
        private readonly string TestImagePath = @"D:\Study\Blogs\TF_Net\Asset\fashion_mnist_png\test";
        private readonly string train_date_path = @"D:\Study\Blogs\TF_Net\Asset\fashion_mnist_png\cnn_train_data.bin";
        private readonly string train_label_path = @"D:\Study\Blogs\TF_Net\Asset\fashion_mnist_png\cnn_train_label.bin";
        private readonly string ModelFile = @"D:\Study\Blogs\TF_Net\Model\cnn_fashion_mnist.h5";

        private readonly int img_rows = 28;
        private readonly int img_cols = 28;
        private readonly int channel = 1;
        private readonly int num_classes = 10;  // total classes

        public void Run()
        {
            var model = BuildModel();
            model.summary();
            model.load_weights(ModelFile);

            Console.WriteLine("press any key");
            Console.ReadKey();

            model.compile(optimizer: keras.optimizers.Adam(0.0001f),
                loss: keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
                metrics: new[] { "accuracy" });

            (NDArray train_x, NDArray train_y) = LoadTrainingData();
            model.fit(train_x, train_y, batch_size: 512, epochs: 1);
            model.save_weights(ModelFile);

            test(model);
        }

        /// <summary>
        /// 构建网络模型
        /// </summary>
        private Model BuildModel()
        {
            // 网络参数
            float scale = 1.0f / 255;

            var model = keras.Sequential(new List<ILayer>
            {
                keras.layers.Rescaling(scale, input_shape: (img_rows, img_cols, channel)),

                keras.layers.Conv2D(32, 5, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Conv2D(64, 3, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Flatten(),
                keras.layers.Dense(128, activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.Dense(num_classes,activation:keras.activations.Softmax)
            });

            return model;
        }

        /// <summary>
        /// 加载训练数据
        /// </summary>
        /// <param name="total_size"></param>
        private (NDArray, NDArray) LoadTrainingData()
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("Load data");
                IFormatter serializer = new BinaryFormatter();
                FileStream loadFile = new FileStream(train_date_path, FileMode.Open, FileAccess.Read);
                float[,,,] arrx = serializer.Deserialize(loadFile) as float[,,,];

                loadFile = new FileStream(train_label_path, FileMode.Open, FileAccess.Read);
                int[] arry = serializer.Deserialize(loadFile) as int[];
                Console.WriteLine("Load data success");
                return (np.array(arrx), np.array(arry));
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine($"Load data Exception:{ex.Message}");
                return LoadRawData();
            }
        }

        private (NDArray, NDArray) LoadRawData()
        {
            Console.WriteLine("LoadRawData");

            int total_size = 60000;
            float[,,,] arrx = new float[total_size, img_rows, img_cols, channel];
            int[] arry = new int[total_size];

            int count = 0;

            DirectoryInfo RootDir = new DirectoryInfo(TrainImagePath);
            foreach (var Dir in RootDir.GetDirectories())
            {
                foreach (var file in Dir.GetFiles("*.png"))
                {
                    Bitmap bmp = (Bitmap)Image.FromFile(file.FullName);
                    if (bmp.Width != img_cols || bmp.Height != img_rows)
                    {
                        continue;
                    }

                    for (int row = 0; row < img_rows; row++)
                        for (int col = 0; col < img_cols; col++)
                        {
                            var pixel = bmp.GetPixel(col, row);
                            int val = (pixel.R + pixel.G + pixel.B) / 3;

                            arrx[count, row, col, 0] = val;
                            arry[count] = int.Parse(Dir.Name);
                        }

                    count++;
                }

                Console.WriteLine($"Load image data count={count}");
            }

            Console.WriteLine("LoadRawData finished");
            //Save Data
            Console.WriteLine("Save data");
            IFormatter serializer = new BinaryFormatter();

            //开始序列化
            FileStream saveFile = new FileStream(train_date_path, FileMode.Create, FileAccess.Write);
            serializer.Serialize(saveFile, arrx);
            saveFile.Close();

            saveFile = new FileStream(train_label_path, FileMode.Create, FileAccess.Write);
            serializer.Serialize(saveFile, arry);
            saveFile.Close();
            Console.WriteLine("Save data finished");

            return (np.array(arrx), np.array(arry));
        }

        /// <summary>
        /// 消费模型
        /// </summary>
        private void test(Model model)
        {
            Random rand = new Random(1);

            DirectoryInfo TestDir = new DirectoryInfo(TestImagePath);
            foreach (var ChildDir in TestDir.GetDirectories())
            {
                Console.WriteLine($"Folder:【{ChildDir.Name}】");
                var Files = ChildDir.GetFiles("*.png");
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    int index = rand.Next(1000);
                    var image = Files[index];

                    var x = LoadImage(image.FullName);
                    var pred_y = model.Apply(x);
                    var result = argmax(pred_y[0].numpy());

                    Console.WriteLine($"FileName:{image.Name}\tPred:{result}");
                }
            }
        }

        private NDArray LoadImage(string filename)
        {
            float[,,,] arrx = new float[1, img_rows, img_cols, channel];
            Bitmap bmp = (Bitmap)Image.FromFile(filename);

            for (int row = 0; row < img_rows; row++)
                for (int col = 0; col < img_cols; col++)
                {
                    var pixel = bmp.GetPixel(col, row);
                    int val = (pixel.R + pixel.G + pixel.B) / 3;
                    arrx[0, row, col, 0] = val;
                }

            return np.array(arrx);
        }

        private int argmax(NDArray array)
        {
            var arr = array.reshape(-1);

            float max = 0;
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                if (arr[i] > max)
                {
                    max = arr[i];
                }
            }

            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                if (arr[i] == max)
                {
                    return i;
                }
            }

            return 0;
        }
    }

通过采用CNN的方法，我们可以把Fashion-MNIST识别率提高到大约94%左右，而且还有提高的空间。但是网络的优化是一件非常困难的事情，特别是识别率已经很高的时候，想提高1个百分点都是很不容易的。

以下是一个优化过的网络，我查阅了不少资料，也参考了很多代码，才构建了这个网络，它的识别率约为96%，再怎么调整也提高不上去了。

        /// <summary>
        /// 构建网络模型
        /// </summary>
        private Model BuildModel()
        {
            // 网络参数
            float scale = 1.0f / 255;
            var model = keras.Sequential(new List<ILayer>
            {
                keras.layers.Rescaling(scale, input_shape: (img_rows, img_cols, channel)),

                keras.layers.Conv2D(32, 3, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Conv2D(64, 3, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Dropout(0.3f),
                keras.layers.BatchNormalization(),

                keras.layers.Conv2D(128, 3, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.Conv2D(128, 3, padding: "same", activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.MaxPooling2D(),

                keras.layers.Dropout(0.4f),
                keras.layers.Flatten(),
                keras.layers.Dense(512, activation: keras.activations.Relu),
                keras.layers.Dropout(0.25f),
                keras.layers.Dense(num_classes,activation:keras.activations.Softmax)
            });

            return model;
        }

【参考资料】

卷积神经网络CNN总结 - Madcola - 博客园 (cnblogs.com)

卷积神经网络(CNN)模型结构 - 刘建平Pinard - 博客园 (cnblogs.com)

【相关资源】

源码：Git: https://gitee.com/seabluescn/tf_not.git

项目名称：CNN_Fashion_MNIST,CNN_Fashion_MNIST_Plus

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