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En este tutorial, aprenderá a clasificar imágenes de gatos y perros utilizando el aprendizaje de transferencia de una red previamente entrenada.
Un modelo preentrenado es una red guardada que se entrenó previamente en un gran conjunto de datos, generalmente en una tarea de clasificación de imágenes a gran escala. Puede usar el modelo preentrenado tal como está o usar el aprendizaje de transferencia para personalizar este modelo para una tarea determinada.
La intuición detrás del aprendizaje de transferencia para la clasificación de imágenes es que si un modelo se entrena en un conjunto de datos lo suficientemente grande y general, este modelo servirá efectivamente como un modelo genérico del mundo visual. A continuación, puede aprovechar estos mapas de características aprendidos sin tener que empezar de cero entrenando un modelo grande en un conjunto de datos grande.
En este cuaderno, probará dos formas de personalizar un modelo previamente entrenado:
Extracción de características: use las representaciones aprendidas por una red anterior para extraer características significativas de nuevas muestras. Simplemente agregue un nuevo clasificador, que se entrenará desde cero, encima del modelo previamente entrenado para que pueda reutilizar los mapas de características aprendidos previamente para el conjunto de datos.
No necesita (re)entrenar todo el modelo. La red convolucional base ya contiene características que son genéricamente útiles para clasificar imágenes. Sin embargo, la parte de clasificación final del modelo preentrenado es específica de la tarea de clasificación original y, posteriormente, específica del conjunto de clases en las que se entrenó el modelo.
Ajuste fino: descongele algunas de las capas superiores de una base de modelo congelada y entrene conjuntamente las capas clasificadoras recién agregadas y las últimas capas del modelo base. Esto nos permite "afinar" las representaciones de características de orden superior en el modelo base para que sean más relevantes para la tarea específica.
Seguirá el flujo de trabajo general de aprendizaje automático.
- Examinar y comprender los datos.
- Cree una tubería de entrada, en este caso usando Keras ImageDataGenerator
- Componer el modelo
- Carga en el modelo base preentrenado (y pesos preentrenados)
- Apila las capas de clasificación en la parte superior
- entrenar al modelo
- Evaluar modelo
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
import tensorflow as tf
Preprocesamiento de datos
Descarga de datos
En este tutorial, utilizará un conjunto de datos que contiene varios miles de imágenes de gatos y perros. Descargue y extraiga un archivo zip que contenga las imágenes, luego cree un tf.data.Dataset para entrenamiento y validación usando la utilidad tf.keras.utils.image_dataset_from_directory . Puede obtener más información sobre cómo cargar imágenes en este tutorial .
_URL = 'https://storage.googleapis.com/mledu-datasets/cats_and_dogs_filtered.zip'
path_to_zip = tf.keras.utils.get_file('cats_and_dogs.zip', origin=_URL, extract=True)
PATH = os.path.join(os.path.dirname(path_to_zip), 'cats_and_dogs_filtered')
train_dir = os.path.join(PATH, 'train')
validation_dir = os.path.join(PATH, 'validation')
BATCH_SIZE = 32
IMG_SIZE = (160, 160)
train_dataset = tf.keras.utils.image_dataset_from_directory(train_dir,
shuffle=True,
batch_size=BATCH_SIZE,
image_size=IMG_SIZE)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/mledu-datasets/cats_and_dogs_filtered.zip 68608000/68606236 [==============================] - 1s 0us/step 68616192/68606236 [==============================] - 1s 0us/step Found 2000 files belonging to 2 classes.
validation_dataset = tf.keras.utils.image_dataset_from_directory(validation_dir,
shuffle=True,
batch_size=BATCH_SIZE,
image_size=IMG_SIZE)
Found 1000 files belonging to 2 classes.
Muestre las primeras nueve imágenes y etiquetas del conjunto de entrenamiento:
class_names = train_dataset.class_names
plt.figure(figsize=(10, 10))
for images, labels in train_dataset.take(1):
for i in range(9):
ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
plt.imshow(images[i].numpy().astype("uint8"))
plt.title(class_names[labels[i]])
plt.axis("off")
Como el conjunto de datos original no contiene un conjunto de prueba, creará uno. Para hacerlo, determine cuántos lotes de datos están disponibles en el conjunto de validación mediante tf.data.experimental.cardinality y luego mueva el 20 % de ellos a un conjunto de prueba.
val_batches = tf.data.experimental.cardinality(validation_dataset)
test_dataset = validation_dataset.take(val_batches // 5)
validation_dataset = validation_dataset.skip(val_batches // 5)
print('Number of validation batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(validation_dataset))
print('Number of test batches: %d' % tf.data.experimental.cardinality(test_dataset))
Number of validation batches: 26 Number of test batches: 6
Configurar el conjunto de datos para el rendimiento
Utilice la captación previa almacenada en búfer para cargar imágenes desde el disco sin que la E/S se convierta en un bloqueo. Para obtener más información sobre este método, consulte la guía de rendimiento de datos .
AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE
train_dataset = train_dataset.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
validation_dataset = validation_dataset.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
test_dataset = test_dataset.prefetch(buffer_size=AUTOTUNE)
Usar aumento de datos
Cuando no tiene un conjunto de datos de imágenes grande, es una buena práctica introducir artificialmente diversidad de muestras mediante la aplicación de transformaciones aleatorias pero realistas a las imágenes de entrenamiento, como la rotación y el volteo horizontal. Esto ayuda a exponer el modelo a diferentes aspectos de los datos de entrenamiento y reduce el sobreajuste . Puede obtener más información sobre el aumento de datos en este tutorial .
data_augmentation = tf.keras.Sequential([
tf.keras.layers.RandomFlip('horizontal'),
tf.keras.layers.RandomRotation(0.2),
])
Apliquemos repetidamente estas capas a la misma imagen y veamos el resultado.
for image, _ in train_dataset.take(1):
plt.figure(figsize=(10, 10))
first_image = image[0]
for i in range(9):
ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
augmented_image = data_augmentation(tf.expand_dims(first_image, 0))
plt.imshow(augmented_image[0] / 255)
plt.axis('off')
Cambiar la escala de los valores de píxeles
En un momento, descargará tf.keras.applications.MobileNetV2 para usarlo como su modelo base. Este modelo espera valores de píxel en [-1, 1] , pero en este punto, los valores de píxel en sus imágenes están en [0, 255] . Para volver a escalarlos, utilice el método de preprocesamiento incluido con el modelo.
preprocess_input = tf.keras.applications.mobilenet_v2.preprocess_input
rescale = tf.keras.layers.Rescaling(1./127.5, offset=-1)
Cree el modelo base a partir de las convnets preentrenadas
Creará el modelo base a partir del modelo MobileNet V2 desarrollado en Google. Esto se entrena previamente en el conjunto de datos de ImageNet, un gran conjunto de datos que consta de 1,4 millones de imágenes y 1000 clases. ImageNet es un conjunto de datos de entrenamiento de investigación con una amplia variedad de categorías como jackfruit y syringe . Esta base de conocimientos nos ayudará a clasificar perros y gatos a partir de nuestro conjunto de datos específico.
Primero, debe elegir qué capa de MobileNet V2 utilizará para la extracción de características. La última capa de clasificación (en "arriba", ya que la mayoría de los diagramas de modelos de aprendizaje automático van de abajo hacia arriba) no es muy útil. En su lugar, seguirá la práctica común de depender de la última capa antes de la operación de aplanado. Esta capa se denomina "capa de cuello de botella". Las características de la capa de cuello de botella conservan más generalidad en comparación con la capa final/superior.
Primero, cree una instancia de un modelo MobileNet V2 precargado con pesos entrenados en ImageNet. Al especificar el argumento include_top=False , carga una red que no incluye las capas de clasificación en la parte superior, lo que es ideal para la extracción de características.
# Create the base model from the pre-trained model MobileNet V2
IMG_SHAPE = IMG_SIZE + (3,)
base_model = tf.keras.applications.MobileNetV2(input_shape=IMG_SHAPE,
include_top=False,
weights='imagenet')
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/keras-applications/mobilenet_v2/mobilenet_v2_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_1.0_160_no_top.h5 9412608/9406464 [==============================] - 0s 0us/step 9420800/9406464 [==============================] - 0s 0us/step
Este extractor de características convierte cada imagen de 160x160x3 en un bloque de características de 5x5x1280 . Veamos qué le hace a un lote de imágenes de ejemplo:
image_batch, label_batch = next(iter(train_dataset))
feature_batch = base_model(image_batch)
print(feature_batch.shape)
(32, 5, 5, 1280)
Extracción de características
En este paso, congelará la base convolucional creada en el paso anterior y la utilizará como extractor de características. Además, agrega un clasificador encima y entrena el clasificador de nivel superior.
Congelar la base convolucional
Es importante congelar la base convolucional antes de compilar y entrenar el modelo. Congelar (estableciendo layer.trainable = False) evita que los pesos en una capa determinada se actualicen durante el entrenamiento. MobileNet V2 tiene muchas capas, por lo que establecer la bandera trainable de todo el modelo en False las congelará todas.
base_model.trainable = False
Nota importante sobre las capas de BatchNormalization
Muchos modelos contienen capas tf.keras.layers.BatchNormalization . Esta capa es un caso especial y se deben tomar precauciones en el contexto del ajuste fino, como se muestra más adelante en este tutorial.
Cuando establece layer.trainable = False , la capa BatchNormalization se ejecutará en modo de inferencia y no actualizará sus estadísticas de media y varianza.
Cuando descongela un modelo que contiene capas de BatchNormalization para realizar un ajuste fino, debe mantener las capas de BatchNormalization en modo de inferencia pasando training = False al llamar al modelo base. De lo contrario, las actualizaciones aplicadas a los pesos no entrenables destruirán lo aprendido por el modelo.
Para obtener más detalles, consulta la guía de aprendizaje de Transfer .
# Let's take a look at the base model architecture
base_model.summary()
Model: "mobilenetv2_1.00_160"
__________________________________________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param # Connected to
==================================================================================================
input_1 (InputLayer) [(None, 160, 160, 3 0 []
)]
Conv1 (Conv2D) (None, 80, 80, 32) 864 ['input_1[0][0]']
bn_Conv1 (BatchNormalization) (None, 80, 80, 32) 128 ['Conv1[0][0]']
Conv1_relu (ReLU) (None, 80, 80, 32) 0 ['bn_Conv1[0][0]']
expanded_conv_depthwise (Depth (None, 80, 80, 32) 288 ['Conv1_relu[0][0]']
wiseConv2D)
expanded_conv_depthwise_BN (Ba (None, 80, 80, 32) 128 ['expanded_conv_depthwise[0][0]']
tchNormalization)
expanded_conv_depthwise_relu ( (None, 80, 80, 32) 0 ['expanded_conv_depthwise_BN[0][0
ReLU) ]']
expanded_conv_project (Conv2D) (None, 80, 80, 16) 512 ['expanded_conv_depthwise_relu[0]
[0]']
expanded_conv_project_BN (Batc (None, 80, 80, 16) 64 ['expanded_conv_project[0][0]']
hNormalization)
block_1_expand (Conv2D) (None, 80, 80, 96) 1536 ['expanded_conv_project_BN[0][0]'
]
block_1_expand_BN (BatchNormal (None, 80, 80, 96) 384 ['block_1_expand[0][0]']
ization)
block_1_expand_relu (ReLU) (None, 80, 80, 96) 0 ['block_1_expand_BN[0][0]']
block_1_pad (ZeroPadding2D) (None, 81, 81, 96) 0 ['block_1_expand_relu[0][0]']
block_1_depthwise (DepthwiseCo (None, 40, 40, 96) 864 ['block_1_pad[0][0]']
nv2D)
block_1_depthwise_BN (BatchNor (None, 40, 40, 96) 384 ['block_1_depthwise[0][0]']
malization)
block_1_depthwise_relu (ReLU) (None, 40, 40, 96) 0 ['block_1_depthwise_BN[0][0]']
block_1_project (Conv2D) (None, 40, 40, 24) 2304 ['block_1_depthwise_relu[0][0]']
block_1_project_BN (BatchNorma (None, 40, 40, 24) 96 ['block_1_project[0][0]']
lization)
block_2_expand (Conv2D) (None, 40, 40, 144) 3456 ['block_1_project_BN[0][0]']
block_2_expand_BN (BatchNormal (None, 40, 40, 144) 576 ['block_2_expand[0][0]']
ization)
block_2_expand_relu (ReLU) (None, 40, 40, 144) 0 ['block_2_expand_BN[0][0]']
block_2_depthwise (DepthwiseCo (None, 40, 40, 144) 1296 ['block_2_expand_relu[0][0]']
nv2D)
block_2_depthwise_BN (BatchNor (None, 40, 40, 144) 576 ['block_2_depthwise[0][0]']
malization)
block_2_depthwise_relu (ReLU) (None, 40, 40, 144) 0 ['block_2_depthwise_BN[0][0]']
block_2_project (Conv2D) (None, 40, 40, 24) 3456 ['block_2_depthwise_relu[0][0]']
block_2_project_BN (BatchNorma (None, 40, 40, 24) 96 ['block_2_project[0][0]']
lization)
block_2_add (Add) (None, 40, 40, 24) 0 ['block_1_project_BN[0][0]',
'block_2_project_BN[0][0]']
block_3_expand (Conv2D) (None, 40, 40, 144) 3456 ['block_2_add[0][0]']
block_3_expand_BN (BatchNormal (None, 40, 40, 144) 576 ['block_3_expand[0][0]']
ization)
block_3_expand_relu (ReLU) (None, 40, 40, 144) 0 ['block_3_expand_BN[0][0]']
block_3_pad (ZeroPadding2D) (None, 41, 41, 144) 0 ['block_3_expand_relu[0][0]']
block_3_depthwise (DepthwiseCo (None, 20, 20, 144) 1296 ['block_3_pad[0][0]']
nv2D)
block_3_depthwise_BN (BatchNor (None, 20, 20, 144) 576 ['block_3_depthwise[0][0]']
malization)
block_3_depthwise_relu (ReLU) (None, 20, 20, 144) 0 ['block_3_depthwise_BN[0][0]']
block_3_project (Conv2D) (None, 20, 20, 32) 4608 ['block_3_depthwise_relu[0][0]']
block_3_project_BN (BatchNorma (None, 20, 20, 32) 128 ['block_3_project[0][0]']
lization)
block_4_expand (Conv2D) (None, 20, 20, 192) 6144 ['block_3_project_BN[0][0]']
block_4_expand_BN (BatchNormal (None, 20, 20, 192) 768 ['block_4_expand[0][0]']
ization)
block_4_expand_relu (ReLU) (None, 20, 20, 192) 0 ['block_4_expand_BN[0][0]']
block_4_depthwise (DepthwiseCo (None, 20, 20, 192) 1728 ['block_4_expand_relu[0][0]']
nv2D)
block_4_depthwise_BN (BatchNor (None, 20, 20, 192) 768 ['block_4_depthwise[0][0]']
malization)
block_4_depthwise_relu (ReLU) (None, 20, 20, 192) 0 ['block_4_depthwise_BN[0][0]']
block_4_project (Conv2D) (None, 20, 20, 32) 6144 ['block_4_depthwise_relu[0][0]']
block_4_project_BN (BatchNorma (None, 20, 20, 32) 128 ['block_4_project[0][0]']
lization)
block_4_add (Add) (None, 20, 20, 32) 0 ['block_3_project_BN[0][0]',
'block_4_project_BN[0][0]']
block_5_expand (Conv2D) (None, 20, 20, 192) 6144 ['block_4_add[0][0]']
block_5_expand_BN (BatchNormal (None, 20, 20, 192) 768 ['block_5_expand[0][0]']
ization)
block_5_expand_relu (ReLU) (None, 20, 20, 192) 0 ['block_5_expand_BN[0][0]']
block_5_depthwise (DepthwiseCo (None, 20, 20, 192) 1728 ['block_5_expand_relu[0][0]']
nv2D)
block_5_depthwise_BN (BatchNor (None, 20, 20, 192) 768 ['block_5_depthwise[0][0]']
malization)
block_5_depthwise_relu (ReLU) (None, 20, 20, 192) 0 ['block_5_depthwise_BN[0][0]']
block_5_project (Conv2D) (None, 20, 20, 32) 6144 ['block_5_depthwise_relu[0][0]']
block_5_project_BN (BatchNorma (None, 20, 20, 32) 128 ['block_5_project[0][0]']
lization)
block_5_add (Add) (None, 20, 20, 32) 0 ['block_4_add[0][0]',
'block_5_project_BN[0][0]']
block_6_expand (Conv2D) (None, 20, 20, 192) 6144 ['block_5_add[0][0]']
block_6_expand_BN (BatchNormal (None, 20, 20, 192) 768 ['block_6_expand[0][0]']
ization)
block_6_expand_relu (ReLU) (None, 20, 20, 192) 0 ['block_6_expand_BN[0][0]']
block_6_pad (ZeroPadding2D) (None, 21, 21, 192) 0 ['block_6_expand_relu[0][0]']
block_6_depthwise (DepthwiseCo (None, 10, 10, 192) 1728 ['block_6_pad[0][0]']
nv2D)
block_6_depthwise_BN (BatchNor (None, 10, 10, 192) 768 ['block_6_depthwise[0][0]']
malization)
block_6_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 192) 0 ['block_6_depthwise_BN[0][0]']
block_6_project (Conv2D) (None, 10, 10, 64) 12288 ['block_6_depthwise_relu[0][0]']
block_6_project_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 64) 256 ['block_6_project[0][0]']
lization)
block_7_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 384) 24576 ['block_6_project_BN[0][0]']
block_7_expand_BN (BatchNormal (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_7_expand[0][0]']
ization)
block_7_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_7_expand_BN[0][0]']
block_7_depthwise (DepthwiseCo (None, 10, 10, 384) 3456 ['block_7_expand_relu[0][0]']
nv2D)
block_7_depthwise_BN (BatchNor (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_7_depthwise[0][0]']
malization)
block_7_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_7_depthwise_BN[0][0]']
block_7_project (Conv2D) (None, 10, 10, 64) 24576 ['block_7_depthwise_relu[0][0]']
block_7_project_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 64) 256 ['block_7_project[0][0]']
lization)
block_7_add (Add) (None, 10, 10, 64) 0 ['block_6_project_BN[0][0]',
'block_7_project_BN[0][0]']
block_8_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 384) 24576 ['block_7_add[0][0]']
block_8_expand_BN (BatchNormal (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_8_expand[0][0]']
ization)
block_8_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_8_expand_BN[0][0]']
block_8_depthwise (DepthwiseCo (None, 10, 10, 384) 3456 ['block_8_expand_relu[0][0]']
nv2D)
block_8_depthwise_BN (BatchNor (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_8_depthwise[0][0]']
malization)
block_8_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_8_depthwise_BN[0][0]']
block_8_project (Conv2D) (None, 10, 10, 64) 24576 ['block_8_depthwise_relu[0][0]']
block_8_project_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 64) 256 ['block_8_project[0][0]']
lization)
block_8_add (Add) (None, 10, 10, 64) 0 ['block_7_add[0][0]',
'block_8_project_BN[0][0]']
block_9_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 384) 24576 ['block_8_add[0][0]']
block_9_expand_BN (BatchNormal (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_9_expand[0][0]']
ization)
block_9_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_9_expand_BN[0][0]']
block_9_depthwise (DepthwiseCo (None, 10, 10, 384) 3456 ['block_9_expand_relu[0][0]']
nv2D)
block_9_depthwise_BN (BatchNor (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_9_depthwise[0][0]']
malization)
block_9_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_9_depthwise_BN[0][0]']
block_9_project (Conv2D) (None, 10, 10, 64) 24576 ['block_9_depthwise_relu[0][0]']
block_9_project_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 64) 256 ['block_9_project[0][0]']
lization)
block_9_add (Add) (None, 10, 10, 64) 0 ['block_8_add[0][0]',
'block_9_project_BN[0][0]']
block_10_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 384) 24576 ['block_9_add[0][0]']
block_10_expand_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_10_expand[0][0]']
lization)
block_10_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_10_expand_BN[0][0]']
block_10_depthwise (DepthwiseC (None, 10, 10, 384) 3456 ['block_10_expand_relu[0][0]']
onv2D)
block_10_depthwise_BN (BatchNo (None, 10, 10, 384) 1536 ['block_10_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_10_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 384) 0 ['block_10_depthwise_BN[0][0]']
block_10_project (Conv2D) (None, 10, 10, 96) 36864 ['block_10_depthwise_relu[0][0]']
block_10_project_BN (BatchNorm (None, 10, 10, 96) 384 ['block_10_project[0][0]']
alization)
block_11_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 576) 55296 ['block_10_project_BN[0][0]']
block_11_expand_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 576) 2304 ['block_11_expand[0][0]']
lization)
block_11_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 576) 0 ['block_11_expand_BN[0][0]']
block_11_depthwise (DepthwiseC (None, 10, 10, 576) 5184 ['block_11_expand_relu[0][0]']
onv2D)
block_11_depthwise_BN (BatchNo (None, 10, 10, 576) 2304 ['block_11_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_11_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 576) 0 ['block_11_depthwise_BN[0][0]']
block_11_project (Conv2D) (None, 10, 10, 96) 55296 ['block_11_depthwise_relu[0][0]']
block_11_project_BN (BatchNorm (None, 10, 10, 96) 384 ['block_11_project[0][0]']
alization)
block_11_add (Add) (None, 10, 10, 96) 0 ['block_10_project_BN[0][0]',
'block_11_project_BN[0][0]']
block_12_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 576) 55296 ['block_11_add[0][0]']
block_12_expand_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 576) 2304 ['block_12_expand[0][0]']
lization)
block_12_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 576) 0 ['block_12_expand_BN[0][0]']
block_12_depthwise (DepthwiseC (None, 10, 10, 576) 5184 ['block_12_expand_relu[0][0]']
onv2D)
block_12_depthwise_BN (BatchNo (None, 10, 10, 576) 2304 ['block_12_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_12_depthwise_relu (ReLU) (None, 10, 10, 576) 0 ['block_12_depthwise_BN[0][0]']
block_12_project (Conv2D) (None, 10, 10, 96) 55296 ['block_12_depthwise_relu[0][0]']
block_12_project_BN (BatchNorm (None, 10, 10, 96) 384 ['block_12_project[0][0]']
alization)
block_12_add (Add) (None, 10, 10, 96) 0 ['block_11_add[0][0]',
'block_12_project_BN[0][0]']
block_13_expand (Conv2D) (None, 10, 10, 576) 55296 ['block_12_add[0][0]']
block_13_expand_BN (BatchNorma (None, 10, 10, 576) 2304 ['block_13_expand[0][0]']
lization)
block_13_expand_relu (ReLU) (None, 10, 10, 576) 0 ['block_13_expand_BN[0][0]']
block_13_pad (ZeroPadding2D) (None, 11, 11, 576) 0 ['block_13_expand_relu[0][0]']
block_13_depthwise (DepthwiseC (None, 5, 5, 576) 5184 ['block_13_pad[0][0]']
onv2D)
block_13_depthwise_BN (BatchNo (None, 5, 5, 576) 2304 ['block_13_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_13_depthwise_relu (ReLU) (None, 5, 5, 576) 0 ['block_13_depthwise_BN[0][0]']
block_13_project (Conv2D) (None, 5, 5, 160) 92160 ['block_13_depthwise_relu[0][0]']
block_13_project_BN (BatchNorm (None, 5, 5, 160) 640 ['block_13_project[0][0]']
alization)
block_14_expand (Conv2D) (None, 5, 5, 960) 153600 ['block_13_project_BN[0][0]']
block_14_expand_BN (BatchNorma (None, 5, 5, 960) 3840 ['block_14_expand[0][0]']
lization)
block_14_expand_relu (ReLU) (None, 5, 5, 960) 0 ['block_14_expand_BN[0][0]']
block_14_depthwise (DepthwiseC (None, 5, 5, 960) 8640 ['block_14_expand_relu[0][0]']
onv2D)
block_14_depthwise_BN (BatchNo (None, 5, 5, 960) 3840 ['block_14_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_14_depthwise_relu (ReLU) (None, 5, 5, 960) 0 ['block_14_depthwise_BN[0][0]']
block_14_project (Conv2D) (None, 5, 5, 160) 153600 ['block_14_depthwise_relu[0][0]']
block_14_project_BN (BatchNorm (None, 5, 5, 160) 640 ['block_14_project[0][0]']
alization)
block_14_add (Add) (None, 5, 5, 160) 0 ['block_13_project_BN[0][0]',
'block_14_project_BN[0][0]']
block_15_expand (Conv2D) (None, 5, 5, 960) 153600 ['block_14_add[0][0]']
block_15_expand_BN (BatchNorma (None, 5, 5, 960) 3840 ['block_15_expand[0][0]']
lization)
block_15_expand_relu (ReLU) (None, 5, 5, 960) 0 ['block_15_expand_BN[0][0]']
block_15_depthwise (DepthwiseC (None, 5, 5, 960) 8640 ['block_15_expand_relu[0][0]']
onv2D)
block_15_depthwise_BN (BatchNo (None, 5, 5, 960) 3840 ['block_15_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_15_depthwise_relu (ReLU) (None, 5, 5, 960) 0 ['block_15_depthwise_BN[0][0]']
block_15_project (Conv2D) (None, 5, 5, 160) 153600 ['block_15_depthwise_relu[0][0]']
block_15_project_BN (BatchNorm (None, 5, 5, 160) 640 ['block_15_project[0][0]']
alization)
block_15_add (Add) (None, 5, 5, 160) 0 ['block_14_add[0][0]',
'block_15_project_BN[0][0]']
block_16_expand (Conv2D) (None, 5, 5, 960) 153600 ['block_15_add[0][0]']
block_16_expand_BN (BatchNorma (None, 5, 5, 960) 3840 ['block_16_expand[0][0]']
lization)
block_16_expand_relu (ReLU) (None, 5, 5, 960) 0 ['block_16_expand_BN[0][0]']
block_16_depthwise (DepthwiseC (None, 5, 5, 960) 8640 ['block_16_expand_relu[0][0]']
onv2D)
block_16_depthwise_BN (BatchNo (None, 5, 5, 960) 3840 ['block_16_depthwise[0][0]']
rmalization)
block_16_depthwise_relu (ReLU) (None, 5, 5, 960) 0 ['block_16_depthwise_BN[0][0]']
block_16_project (Conv2D) (None, 5, 5, 320) 307200 ['block_16_depthwise_relu[0][0]']
block_16_project_BN (BatchNorm (None, 5, 5, 320) 1280 ['block_16_project[0][0]']
alization)
Conv_1 (Conv2D) (None, 5, 5, 1280) 409600 ['block_16_project_BN[0][0]']
Conv_1_bn (BatchNormalization) (None, 5, 5, 1280) 5120 ['Conv_1[0][0]']
out_relu (ReLU) (None, 5, 5, 1280) 0 ['Conv_1_bn[0][0]']
==================================================================================================
Total params: 2,257,984
Trainable params: 0
Non-trainable params: 2,257,984
__________________________________________________________________________________________________
Agregar un encabezado de clasificación
Para generar predicciones a partir del bloque de entidades, promedie las ubicaciones espaciales de 5x5 utilizando una capa tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D para convertir las entidades en un único vector de 1280 elementos por imagen.
global_average_layer = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()
feature_batch_average = global_average_layer(feature_batch)
print(feature_batch_average.shape)
(32, 1280)
Aplique una capa tf.keras.layers.Dense para convertir estas características en una sola predicción por imagen. No necesita una función de activación aquí porque esta predicción se tratará como un logit o un valor de predicción sin procesar. Los números positivos predicen la clase 1, los números negativos predicen la clase 0.
prediction_layer = tf.keras.layers.Dense(1)
prediction_batch = prediction_layer(feature_batch_average)
print(prediction_batch.shape)
(32, 1)
Cree un modelo encadenando las capas de aumento de datos, reescalado, base_model y extractor de características mediante la API funcional de Keras . Como se mencionó anteriormente, use training=False ya que nuestro modelo contiene una capa BatchNormalization .
inputs = tf.keras.Input(shape=(160, 160, 3))
x = data_augmentation(inputs)
x = preprocess_input(x)
x = base_model(x, training=False)
x = global_average_layer(x)
x = tf.keras.layers.Dropout(0.2)(x)
outputs = prediction_layer(x)
model = tf.keras.Model(inputs, outputs)
Compilar el modelo
Compile el modelo antes de entrenarlo. Dado que hay dos clases, use la pérdida tf.keras.losses.BinaryCrossentropy con from_logits=True ya que el modelo proporciona una salida lineal.
base_learning_rate = 0.0001
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=base_learning_rate),
loss=tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
metrics=['accuracy'])
model.summary()
Model: "model"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
input_2 (InputLayer) [(None, 160, 160, 3)] 0
sequential (Sequential) (None, 160, 160, 3) 0
tf.math.truediv (TFOpLambda (None, 160, 160, 3) 0
)
tf.math.subtract (TFOpLambd (None, 160, 160, 3) 0
a)
mobilenetv2_1.00_160 (Funct (None, 5, 5, 1280) 2257984
ional)
global_average_pooling2d (G (None, 1280) 0
lobalAveragePooling2D)
dropout (Dropout) (None, 1280) 0
dense (Dense) (None, 1) 1281
=================================================================
Total params: 2,259,265
Trainable params: 1,281
Non-trainable params: 2,257,984
_________________________________________________________________
Los 2,5 millones de parámetros en MobileNet están congelados, pero hay 1,2 mil parámetros entrenables en la capa densa. Estos se dividen entre dos objetos tf.Variable , los pesos y los sesgos.
len(model.trainable_variables)
2
entrenar al modelo
Después de entrenar durante 10 épocas, debería ver una precisión de ~94 % en el conjunto de validación.
initial_epochs = 10
loss0, accuracy0 = model.evaluate(validation_dataset)
26/26 [==============================] - 2s 16ms/step - loss: 0.7428 - accuracy: 0.5186
print("initial loss: {:.2f}".format(loss0))
print("initial accuracy: {:.2f}".format(accuracy0))
initial loss: 0.74 initial accuracy: 0.52
history = model.fit(train_dataset,
epochs=initial_epochs,
validation_data=validation_dataset)
Epoch 1/10 63/63 [==============================] - 4s 23ms/step - loss: 0.6804 - accuracy: 0.5680 - val_loss: 0.4981 - val_accuracy: 0.7054 Epoch 2/10 63/63 [==============================] - 1s 22ms/step - loss: 0.5044 - accuracy: 0.7170 - val_loss: 0.3598 - val_accuracy: 0.8144 Epoch 3/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.4109 - accuracy: 0.7845 - val_loss: 0.2810 - val_accuracy: 0.8861 Epoch 4/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.3285 - accuracy: 0.8445 - val_loss: 0.2256 - val_accuracy: 0.9208 Epoch 5/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.3108 - accuracy: 0.8555 - val_loss: 0.1986 - val_accuracy: 0.9307 Epoch 6/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.2659 - accuracy: 0.8855 - val_loss: 0.1703 - val_accuracy: 0.9418 Epoch 7/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.2459 - accuracy: 0.8935 - val_loss: 0.1495 - val_accuracy: 0.9517 Epoch 8/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.2315 - accuracy: 0.8950 - val_loss: 0.1454 - val_accuracy: 0.9542 Epoch 9/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.2204 - accuracy: 0.9030 - val_loss: 0.1326 - val_accuracy: 0.9592 Epoch 10/10 63/63 [==============================] - 1s 21ms/step - loss: 0.2180 - accuracy: 0.9115 - val_loss: 0.1215 - val_accuracy: 0.9604
Curvas de aprendizaje
Echemos un vistazo a las curvas de aprendizaje de la precisión/pérdida de capacitación y validación cuando se usa el modelo base de MobileNetV2 como un extractor de características fijas.
acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
plt.figure(figsize=(8, 8))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([min(plt.ylim()),1])
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(loss, label='Training Loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.ylabel('Cross Entropy')
plt.ylim([0,1.0])
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.show()
En menor medida, también se debe a que las métricas de entrenamiento informan el promedio de una época, mientras que las métricas de validación se evalúan después de la época, por lo que las métricas de validación ven un modelo que se ha entrenado un poco más.
Sintonia FINA
En el experimento de extracción de características, solo estaba entrenando algunas capas sobre un modelo base de MobileNetV2. Los pesos de la red preentrenada no se actualizaron durante el entrenamiento.
Una forma de aumentar aún más el rendimiento es entrenar (o "afinar") los pesos de las capas superiores del modelo preentrenado junto con el entrenamiento del clasificador que agregó. El proceso de entrenamiento obligará a ajustar los pesos de los mapas de características genéricas a las características asociadas específicamente con el conjunto de datos.
Además, debe intentar ajustar una pequeña cantidad de capas superiores en lugar de todo el modelo de MobileNet. En la mayoría de las redes convolucionales, cuanto más arriba está una capa, más especializada es. Las primeras capas aprenden características muy simples y genéricas que se generalizan a casi todos los tipos de imágenes. A medida que avanza, las funciones son cada vez más específicas para el conjunto de datos en el que se entrenó el modelo. El objetivo del ajuste fino es adaptar estas características especializadas para que funcionen con el nuevo conjunto de datos, en lugar de sobrescribir el aprendizaje genérico.
Descongele las capas superiores del modelo.
Todo lo que necesita hacer es descongelar el base_model y configurar las capas inferiores para que no se puedan entrenar. Luego, debe volver a compilar el modelo (necesario para que estos cambios surtan efecto) y reanudar el entrenamiento.
base_model.trainable = True
# Let's take a look to see how many layers are in the base model
print("Number of layers in the base model: ", len(base_model.layers))
# Fine-tune from this layer onwards
fine_tune_at = 100
# Freeze all the layers before the `fine_tune_at` layer
for layer in base_model.layers[:fine_tune_at]:
layer.trainable = False
Number of layers in the base model: 154
Compilar el modelo
Como está entrenando un modelo mucho más grande y quiere readaptar los pesos previamente entrenados, es importante usar una tasa de aprendizaje más baja en esta etapa. De lo contrario, su modelo podría sobreajustarse muy rápidamente.
model.compile(loss=tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
optimizer = tf.keras.optimizers.RMSprop(learning_rate=base_learning_rate/10),
metrics=['accuracy'])
model.summary()
Model: "model"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
input_2 (InputLayer) [(None, 160, 160, 3)] 0
sequential (Sequential) (None, 160, 160, 3) 0
tf.math.truediv (TFOpLambda (None, 160, 160, 3) 0
)
tf.math.subtract (TFOpLambd (None, 160, 160, 3) 0
a)
mobilenetv2_1.00_160 (Funct (None, 5, 5, 1280) 2257984
ional)
global_average_pooling2d (G (None, 1280) 0
lobalAveragePooling2D)
dropout (Dropout) (None, 1280) 0
dense (Dense) (None, 1) 1281
=================================================================
Total params: 2,259,265
Trainable params: 1,862,721
Non-trainable params: 396,544
_________________________________________________________________
len(model.trainable_variables)
56
Continuar entrenando al modelo
Si se entrenó antes para la convergencia, este paso mejorará su precisión en algunos puntos porcentuales.
fine_tune_epochs = 10
total_epochs = initial_epochs + fine_tune_epochs
history_fine = model.fit(train_dataset,
epochs=total_epochs,
initial_epoch=history.epoch[-1],
validation_data=validation_dataset)
Epoch 10/20 63/63 [==============================] - 7s 40ms/step - loss: 0.1545 - accuracy: 0.9335 - val_loss: 0.0531 - val_accuracy: 0.9864 Epoch 11/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.1161 - accuracy: 0.9540 - val_loss: 0.0500 - val_accuracy: 0.9814 Epoch 12/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.1125 - accuracy: 0.9525 - val_loss: 0.0379 - val_accuracy: 0.9876 Epoch 13/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0891 - accuracy: 0.9625 - val_loss: 0.0472 - val_accuracy: 0.9889 Epoch 14/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0844 - accuracy: 0.9680 - val_loss: 0.0478 - val_accuracy: 0.9889 Epoch 15/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0857 - accuracy: 0.9645 - val_loss: 0.0354 - val_accuracy: 0.9839 Epoch 16/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0785 - accuracy: 0.9690 - val_loss: 0.0449 - val_accuracy: 0.9864 Epoch 17/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0669 - accuracy: 0.9740 - val_loss: 0.0375 - val_accuracy: 0.9839 Epoch 18/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0701 - accuracy: 0.9695 - val_loss: 0.0324 - val_accuracy: 0.9864 Epoch 19/20 63/63 [==============================] - 2s 28ms/step - loss: 0.0636 - accuracy: 0.9760 - val_loss: 0.0465 - val_accuracy: 0.9790 Epoch 20/20 63/63 [==============================] - 2s 29ms/step - loss: 0.0585 - accuracy: 0.9765 - val_loss: 0.0392 - val_accuracy: 0.9851
Echemos un vistazo a las curvas de aprendizaje de la precisión/pérdida de entrenamiento y validación cuando se ajustan las últimas capas del modelo base de MobileNetV2 y se entrena el clasificador encima. La pérdida de validación es mucho mayor que la pérdida de entrenamiento, por lo que es posible que se sobreajuste.
También es posible que se sobreajuste, ya que el nuevo conjunto de entrenamiento es relativamente pequeño y similar a los conjuntos de datos originales de MobileNetV2.
Después de un ajuste fino, el modelo alcanza casi el 98 % de precisión en el conjunto de validación.
acc += history_fine.history['accuracy']
val_acc += history_fine.history['val_accuracy']
loss += history_fine.history['loss']
val_loss += history_fine.history['val_loss']
plt.figure(figsize=(8, 8))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.ylim([0.8, 1])
plt.plot([initial_epochs-1,initial_epochs-1],
plt.ylim(), label='Start Fine Tuning')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(loss, label='Training Loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation Loss')
plt.ylim([0, 1.0])
plt.plot([initial_epochs-1,initial_epochs-1],
plt.ylim(), label='Start Fine Tuning')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.show()
Evaluación y predicción
Finalmente, puede verificar el rendimiento del modelo en nuevos datos utilizando un conjunto de prueba.
loss, accuracy = model.evaluate(test_dataset)
print('Test accuracy :', accuracy)
6/6 [==============================] - 0s 13ms/step - loss: 0.0281 - accuracy: 0.9948 Test accuracy : 0.9947916865348816
Y ahora está todo listo para usar este modelo para predecir si su mascota es un gato o un perro.
# Retrieve a batch of images from the test set
image_batch, label_batch = test_dataset.as_numpy_iterator().next()
predictions = model.predict_on_batch(image_batch).flatten()
# Apply a sigmoid since our model returns logits
predictions = tf.nn.sigmoid(predictions)
predictions = tf.where(predictions < 0.5, 0, 1)
print('Predictions:\n', predictions.numpy())
print('Labels:\n', label_batch)
plt.figure(figsize=(10, 10))
for i in range(9):
ax = plt.subplot(3, 3, i + 1)
plt.imshow(image_batch[i].astype("uint8"))
plt.title(class_names[predictions[i]])
plt.axis("off")
Predictions: [0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0] Labels: [0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0]
Resumen
Uso de un modelo previamente entrenado para la extracción de características : cuando se trabaja con un conjunto de datos pequeño, es una práctica común aprovechar las características aprendidas por un modelo entrenado en un conjunto de datos más grande en el mismo dominio. Esto se hace instanciando el modelo previamente entrenado y agregando un clasificador completamente conectado en la parte superior. El modelo preentrenado se "congela" y solo los pesos del clasificador se actualizan durante el entrenamiento. En este caso, la base convolucional extrajo todas las características asociadas con cada imagen y solo entrenó un clasificador que determina la clase de imagen dado ese conjunto de características extraídas.
Ajuste fino de un modelo preentrenado : para mejorar aún más el rendimiento, es posible que desee reutilizar las capas de nivel superior de los modelos preentrenados para el nuevo conjunto de datos a través del ajuste fino. En este caso, ajustó sus ponderaciones de modo que su modelo aprendiera características de alto nivel específicas del conjunto de datos. Esta técnica generalmente se recomienda cuando el conjunto de datos de entrenamiento es grande y muy similar al conjunto de datos original en el que se entrenó el modelo previamente entrenado.
Para obtener más información, visite la guía de aprendizaje de Transfer .
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# and/or sell copies of the Software, and to permit persons to whom the
# Software is furnished to do so, subject to the following conditions:
#
# The above copyright notice and this permission notice shall be included in
# all copies or substantial portions of the Software.
#
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# IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
# FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL
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# LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING
# FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER
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