Эта страница переведена с помощью Cloud Translation API.

Переобучение классификатора изображений

Посмотреть на TensorFlow.org

Запускаем в Google Colab

Посмотреть на GitHub

Скачать блокнот

Посмотреть модели TF Hub

Введение

Модели классификации изображений имеют миллионы параметров. Обучение их с нуля требует большого количества размеченных обучающих данных и больших вычислительных мощностей. Трансферное обучение - это метод, позволяющий сократить большую часть этого, взяв часть модели, которая уже была обучена для выполнения связанной задачи, и повторно использовав ее в новой модели.

Этот Colab демонстрирует, как построить модель Keras для классификации пяти видов цветов с помощью предварительно обученной модели TF2 SavedModel от TensorFlow Hub для извлечения признаков изображения, обученной на гораздо более крупном и более общем наборе данных ImageNet. При желании экстрактор признаков может быть обучен («настроен») вместе с недавно добавленным классификатором.

Ищете вместо этого инструмент?

Это руководство по программированию на TensorFlow. Если вы хотите инструмент , который просто строит модель TensorFlow или TFLite для, посмотрите на make_image_classifier инструмент командной строки , который получает установленный в PIP пакет tensorflow-hub[make_image_classifier] , или в этом TFLite colab.

Настраивать

import itertools
import os

import matplotlib.pylab as plt
import numpy as np

import tensorflow as tf
import tensorflow_hub as hub

print("TF version:", tf.__version__)
print("Hub version:", hub.__version__)
print("GPU is", "available" if tf.config.list_physical_devices('GPU') else "NOT AVAILABLE")

TF version: 2.7.0
Hub version: 0.12.0
GPU is available

Выберите модуль TF2 SavedModel для использования

Для начала, используйте https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_100_224/feature_vector/4 . Один и тот же URL-адрес можно использовать в коде для идентификации SavedModel и в вашем браузере для отображения документации к нему. (Обратите внимание, что модели в формате TF1 Hub здесь не работают.)

Вы можете найти больше моделей TF2 , которые генерируют векторы признаков изображений здесь .

Есть несколько возможных моделей, которые стоит попробовать. Все, что вам нужно сделать, это выбрать другой в ячейке ниже и продолжить с записной книжкой.

model_name = "efficientnetv2-xl-21k" # @param ['efficientnetv2-s', 'efficientnetv2-m', 'efficientnetv2-l', 'efficientnetv2-s-21k', 'efficientnetv2-m-21k', 'efficientnetv2-l-21k', 'efficientnetv2-xl-21k', 'efficientnetv2-b0-21k', 'efficientnetv2-b1-21k', 'efficientnetv2-b2-21k', 'efficientnetv2-b3-21k', 'efficientnetv2-s-21k-ft1k', 'efficientnetv2-m-21k-ft1k', 'efficientnetv2-l-21k-ft1k', 'efficientnetv2-xl-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b0-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b1-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b2-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b3-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b0', 'efficientnetv2-b1', 'efficientnetv2-b2', 'efficientnetv2-b3', 'efficientnet_b0', 'efficientnet_b1', 'efficientnet_b2', 'efficientnet_b3', 'efficientnet_b4', 'efficientnet_b5', 'efficientnet_b6', 'efficientnet_b7', 'bit_s-r50x1', 'inception_v3', 'inception_resnet_v2', 'resnet_v1_50', 'resnet_v1_101', 'resnet_v1_152', 'resnet_v2_50', 'resnet_v2_101', 'resnet_v2_152', 'nasnet_large', 'nasnet_mobile', 'pnasnet_large', 'mobilenet_v2_100_224', 'mobilenet_v2_130_224', 'mobilenet_v2_140_224', 'mobilenet_v3_small_100_224', 'mobilenet_v3_small_075_224', 'mobilenet_v3_large_100_224', 'mobilenet_v3_large_075_224']

model_handle_map = {
  "efficientnetv2-s": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_s/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-m": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_m/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-l": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_l/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-s-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_s/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-m-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_m/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-l-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_l/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-xl-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_xl/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b0-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b0/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b1-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b1/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b2-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b2/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b3-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b3/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-s-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_s/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-m-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_m/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-l-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_l/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-xl-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_xl/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b0-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b0/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b1-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b1/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b2-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b2/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b3-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b3/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b0": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b0/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b1": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b1/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b2": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b2/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b3": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b3/feature_vector/2",
  "efficientnet_b0": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b0/feature-vector/1",
  "efficientnet_b1": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b1/feature-vector/1",
  "efficientnet_b2": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b2/feature-vector/1",
  "efficientnet_b3": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b3/feature-vector/1",
  "efficientnet_b4": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b4/feature-vector/1",
  "efficientnet_b5": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b5/feature-vector/1",
  "efficientnet_b6": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b6/feature-vector/1",
  "efficientnet_b7": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b7/feature-vector/1",
  "bit_s-r50x1": "https://tfhub.dev/google/bit/s-r50x1/1",
  "inception_v3": "https://tfhub.dev/google/imagenet/inception_v3/feature-vector/4",
  "inception_resnet_v2": "https://tfhub.dev/google/imagenet/inception_resnet_v2/feature-vector/4",
  "resnet_v1_50": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v1_50/feature-vector/4",
  "resnet_v1_101": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v1_101/feature-vector/4",
  "resnet_v1_152": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v1_152/feature-vector/4",
  "resnet_v2_50": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v2_50/feature-vector/4",
  "resnet_v2_101": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v2_101/feature-vector/4",
  "resnet_v2_152": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v2_152/feature-vector/4",
  "nasnet_large": "https://tfhub.dev/google/imagenet/nasnet_large/feature_vector/4",
  "nasnet_mobile": "https://tfhub.dev/google/imagenet/nasnet_mobile/feature_vector/4",
  "pnasnet_large": "https://tfhub.dev/google/imagenet/pnasnet_large/feature_vector/4",
  "mobilenet_v2_100_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_100_224/feature_vector/4",
  "mobilenet_v2_130_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_130_224/feature_vector/4",
  "mobilenet_v2_140_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_140_224/feature_vector/4",
  "mobilenet_v3_small_100_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_small_100_224/feature_vector/5",
  "mobilenet_v3_small_075_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_small_075_224/feature_vector/5",
  "mobilenet_v3_large_100_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_large_100_224/feature_vector/5",
  "mobilenet_v3_large_075_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_large_075_224/feature_vector/5",
}

model_image_size_map = {
  "efficientnetv2-s": 384,
  "efficientnetv2-m": 480,
  "efficientnetv2-l": 480,
  "efficientnetv2-b0": 224,
  "efficientnetv2-b1": 240,
  "efficientnetv2-b2": 260,
  "efficientnetv2-b3": 300,
  "efficientnetv2-s-21k": 384,
  "efficientnetv2-m-21k": 480,
  "efficientnetv2-l-21k": 480,
  "efficientnetv2-xl-21k": 512,
  "efficientnetv2-b0-21k": 224,
  "efficientnetv2-b1-21k": 240,
  "efficientnetv2-b2-21k": 260,
  "efficientnetv2-b3-21k": 300,
  "efficientnetv2-s-21k-ft1k": 384,
  "efficientnetv2-m-21k-ft1k": 480,
  "efficientnetv2-l-21k-ft1k": 480,
  "efficientnetv2-xl-21k-ft1k": 512,
  "efficientnetv2-b0-21k-ft1k": 224,
  "efficientnetv2-b1-21k-ft1k": 240,
  "efficientnetv2-b2-21k-ft1k": 260,
  "efficientnetv2-b3-21k-ft1k": 300, 
  "efficientnet_b0": 224,
  "efficientnet_b1": 240,
  "efficientnet_b2": 260,
  "efficientnet_b3": 300,
  "efficientnet_b4": 380,
  "efficientnet_b5": 456,
  "efficientnet_b6": 528,
  "efficientnet_b7": 600,
  "inception_v3": 299,
  "inception_resnet_v2": 299,
  "nasnet_large": 331,
  "pnasnet_large": 331,
}

model_handle = model_handle_map.get(model_name)
pixels = model_image_size_map.get(model_name, 224)

print(f"Selected model: {model_name} : {model_handle}")

IMAGE_SIZE = (pixels, pixels)
print(f"Input size {IMAGE_SIZE}")

BATCH_SIZE = 16

Selected model: efficientnetv2-xl-21k : https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_xl/feature_vector/2
Input size (512, 512)

Настройте набор данных Flowers

Размер входов изменяется в соответствии с выбранным модулем. Увеличение набора данных (т. Е. Случайные искажения изображения при каждом его чтении) улучшает обучение, особенно. при тонкой настройке.

data_dir = tf.keras.utils.get_file(
    'flower_photos',
    'https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz',
    untar=True)

Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz
228818944/228813984 [==============================] - 1s 0us/step
228827136/228813984 [==============================] - 1s 0us/step

def build_dataset(subset):
  return tf.keras.preprocessing.image_dataset_from_directory(
      data_dir,
      validation_split=.20,
      subset=subset,
      label_mode="categorical",
      # Seed needs to provided when using validation_split and shuffle = True.
      # A fixed seed is used so that the validation set is stable across runs.
      seed=123,
      image_size=IMAGE_SIZE,
      batch_size=1)

train_ds = build_dataset("training")
class_names = tuple(train_ds.class_names)
train_size = train_ds.cardinality().numpy()
train_ds = train_ds.unbatch().batch(BATCH_SIZE)
train_ds = train_ds.repeat()

normalization_layer = tf.keras.layers.Rescaling(1. / 255)
preprocessing_model = tf.keras.Sequential([normalization_layer])
do_data_augmentation = False
if do_data_augmentation:
  preprocessing_model.add(
      tf.keras.layers.RandomRotation(40))
  preprocessing_model.add(
      tf.keras.layers.RandomTranslation(0, 0.2))
  preprocessing_model.add(
      tf.keras.layers.RandomTranslation(0.2, 0))
  # Like the old tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(),
  # image sizes are fixed when reading, and then a random zoom is applied.
  # If all training inputs are larger than image_size, one could also use
  # RandomCrop with a batch size of 1 and rebatch later.
  preprocessing_model.add(
      tf.keras.layers.RandomZoom(0.2, 0.2))
  preprocessing_model.add(
      tf.keras.layers.RandomFlip(mode="horizontal"))
train_ds = train_ds.map(lambda images, labels:
                        (preprocessing_model(images), labels))

val_ds = build_dataset("validation")
valid_size = val_ds.cardinality().numpy()
val_ds = val_ds.unbatch().batch(BATCH_SIZE)
val_ds = val_ds.map(lambda images, labels:
                    (normalization_layer(images), labels))

Found 3670 files belonging to 5 classes.
Using 2936 files for training.
Found 3670 files belonging to 5 classes.
Using 734 files for validation.

Определение модели

Все это занимает поставить линейный классификатор сверху feature_extractor_layer с модулем Hub.

Для скорости, мы начинаем с не обучаемым feature_extractor_layer , но вы также можете включить тонкую настройку для большей точности.

do_fine_tuning = False

print("Building model with", model_handle)
model = tf.keras.Sequential([
    # Explicitly define the input shape so the model can be properly
    # loaded by the TFLiteConverter
    tf.keras.layers.InputLayer(input_shape=IMAGE_SIZE + (3,)),
    hub.KerasLayer(model_handle, trainable=do_fine_tuning),
    tf.keras.layers.Dropout(rate=0.2),
    tf.keras.layers.Dense(len(class_names),
                          kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.0001))
])
model.build((None,)+IMAGE_SIZE+(3,))
model.summary()

Building model with https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_xl/feature_vector/2
Model: "sequential_1"
_________________________________________________________________
 Layer (type)                Output Shape              Param #   
=================================================================
 keras_layer (KerasLayer)    (None, 1280)              207615832 
                                                                 
 dropout (Dropout)           (None, 1280)              0         
                                                                 
 dense (Dense)               (None, 5)                 6405      
                                                                 
=================================================================
Total params: 207,622,237
Trainable params: 6,405
Non-trainable params: 207,615,832
_________________________________________________________________

Обучение модели

model.compile(
  optimizer=tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.005, momentum=0.9), 
  loss=tf.keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True, label_smoothing=0.1),
  metrics=['accuracy'])

steps_per_epoch = train_size // BATCH_SIZE
validation_steps = valid_size // BATCH_SIZE
hist = model.fit(
    train_ds,
    epochs=5, steps_per_epoch=steps_per_epoch,
    validation_data=val_ds,
    validation_steps=validation_steps).history

Epoch 1/5
183/183 [==============================] - 133s 543ms/step - loss: 0.9221 - accuracy: 0.8996 - val_loss: 0.6271 - val_accuracy: 0.9597
Epoch 2/5
183/183 [==============================] - 94s 514ms/step - loss: 0.6072 - accuracy: 0.9521 - val_loss: 0.5990 - val_accuracy: 0.9528
Epoch 3/5
183/183 [==============================] - 94s 513ms/step - loss: 0.5590 - accuracy: 0.9671 - val_loss: 0.5362 - val_accuracy: 0.9722
Epoch 4/5
183/183 [==============================] - 94s 514ms/step - loss: 0.5532 - accuracy: 0.9726 - val_loss: 0.5780 - val_accuracy: 0.9639
Epoch 5/5
183/183 [==============================] - 94s 513ms/step - loss: 0.5618 - accuracy: 0.9699 - val_loss: 0.5468 - val_accuracy: 0.9556

plt.figure()
plt.ylabel("Loss (training and validation)")
plt.xlabel("Training Steps")
plt.ylim([0,2])
plt.plot(hist["loss"])
plt.plot(hist["val_loss"])

plt.figure()
plt.ylabel("Accuracy (training and validation)")
plt.xlabel("Training Steps")
plt.ylim([0,1])
plt.plot(hist["accuracy"])
plt.plot(hist["val_accuracy"])

[<matplotlib.lines.Line2D at 0x7f607ad6ad90>]

PNG

Попробуйте модель на изображении из данных проверки:

x, y = next(iter(val_ds))
image = x[0, :, :, :]
true_index = np.argmax(y[0])
plt.imshow(image)
plt.axis('off')
plt.show()

# Expand the validation image to (1, 224, 224, 3) before predicting the label
prediction_scores = model.predict(np.expand_dims(image, axis=0))
predicted_index = np.argmax(prediction_scores)
print("True label: " + class_names[true_index])
print("Predicted label: " + class_names[predicted_index])

PNG

True label: sunflowers
Predicted label: sunflowers

Наконец, обученную модель можно сохранить для развертывания в TF Serving или TFLite (на мобильном устройстве) следующим образом.

saved_model_path = f"/tmp/saved_flowers_model_{model_name}"
tf.saved_model.save(model, saved_model_path)

2021-11-05 13:09:44.225508: W tensorflow/python/util/util.cc:368] Sets are not currently considered sequences, but this may change in the future, so consider avoiding using them.
WARNING:absl:Found untraced functions such as restored_function_body, restored_function_body, restored_function_body, restored_function_body, restored_function_body while saving (showing 5 of 3985). These functions will not be directly callable after loading.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/saved_flowers_model_efficientnetv2-xl-21k/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/saved_flowers_model_efficientnetv2-xl-21k/assets

Необязательно: развертывание в TensorFlow Lite

TensorFlow Lite позволяет развертывать модели TensorFlow для мобильных и ИТНЫ устройств. Приведенный ниже код показывает , как преобразовать обученную модель в TFLite и применять после подготовки инструментов из TensorFlow модель оптимизации Toolkit . Наконец, он запускает его в интерпретаторе TFLite, чтобы проверить качество результата.

Преобразование без оптимизации дает те же результаты, что и раньше (с точностью до ошибки округления).
Преобразование с оптимизацией без каких-либо данных квантует веса модели до 8 бит, но логический вывод по-прежнему использует вычисления с плавающей запятой для активации нейронной сети. Это уменьшает размер модели почти в 4 раза и снижает задержку ЦП на мобильных устройствах.
Кроме того, вычисление активаций нейронной сети также может быть квантовано до 8-битных целых чисел, если предоставляется небольшой эталонный набор данных для калибровки диапазона квантования. На мобильном устройстве это еще больше ускоряет логический вывод и позволяет работать на ускорителях, таких как Edge TPU.

Настройки оптимизации

optimize_lite_model = False 
num_calibration_examples = 60 
representative_dataset = None
if optimize_lite_model and num_calibration_examples:
  # Use a bounded number of training examples without labels for calibration.
  # TFLiteConverter expects a list of input tensors, each with batch size 1.
  representative_dataset = lambda: itertools.islice(
      ([image[None, ...]] for batch, _ in train_ds for image in batch),
      num_calibration_examples)

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_path)
if optimize_lite_model:
  converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
  if representative_dataset:  # This is optional, see above.
    converter.representative_dataset = representative_dataset
lite_model_content = converter.convert()

with open(f"/tmp/lite_flowers_model_{model_name}.tflite", "wb") as f:
  f.write(lite_model_content)
print("Wrote %sTFLite model of %d bytes." %
      ("optimized " if optimize_lite_model else "", len(lite_model_content)))

2021-11-05 13:10:59.372672: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:363] Ignored output_format.
2021-11-05 13:10:59.372728: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:366] Ignored drop_control_dependency.
2021-11-05 13:10:59.372736: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:372] Ignored change_concat_input_ranges.
WARNING:absl:Buffer deduplication procedure will be skipped when flatbuffer library is not properly loaded
Wrote TFLite model of 826236388 bytes.

interpreter = tf.lite.Interpreter(model_content=lite_model_content)
# This little helper wraps the TFLite Interpreter as a numpy-to-numpy function.
def lite_model(images):
  interpreter.allocate_tensors()
  interpreter.set_tensor(interpreter.get_input_details()[0]['index'], images)
  interpreter.invoke()
  return interpreter.get_tensor(interpreter.get_output_details()[0]['index'])

num_eval_examples = 50 
eval_dataset = ((image, label)  # TFLite expects batch size 1.
                for batch in train_ds
                for (image, label) in zip(*batch))
count = 0
count_lite_tf_agree = 0
count_lite_correct = 0
for image, label in eval_dataset:
  probs_lite = lite_model(image[None, ...])[0]
  probs_tf = model(image[None, ...]).numpy()[0]
  y_lite = np.argmax(probs_lite)
  y_tf = np.argmax(probs_tf)
  y_true = np.argmax(label)
  count +=1
  if y_lite == y_tf: count_lite_tf_agree += 1
  if y_lite == y_true: count_lite_correct += 1
  if count >= num_eval_examples: break
print("TFLite model agrees with original model on %d of %d examples (%g%%)." %
      (count_lite_tf_agree, count, 100.0 * count_lite_tf_agree / count))
print("TFLite model is accurate on %d of %d examples (%g%%)." %
      (count_lite_correct, count, 100.0 * count_lite_correct / count))

TFLite model agrees with original model on 50 of 50 examples (100%).
TFLite model is accurate on 50 of 50 examples (100%).