使用自己的数据集训练MobileNet、ResNet实现图像分类（TensorFlow）
之前鄙人写了一篇博客《使用自己的数据集训练GoogLenet InceptionNet V1 V2 V3模型（TensorFlow）》https://panjinquan.blog.csdn.net/article/details/81560537，本博客就是此博客的框架基础上，完成对MobileNet的图像分类模型的训练，其相关项目的代码也会统一更新到一个Github中，强烈建议先看这篇博客《使用自己的数据集训练GoogLenet InceptionNet V1 V2 V3模型（TensorFlow）》后，再来看这篇博客。
TensorFlow官网中使用高级API -slim实现了很多常用的模型，如VGG，GoogLenet V1、V2和V3以及MobileNet、resnet模型：可详看这里https://github.com/tensorflow/models/tree/master/research/slim，当然TensorFlow官网也提供了训练这些模型的脚本文件，但灵活性太差了，要想增加log或者其他信息，真的很麻烦。本人花了很多时间，去搭建一个较为通用的模型训练框架《tensorflow_models_nets》，目前几乎可以支持所有模型的训练，由于训练过程是自己构建的，所以你可以在此基础上进行任意的修改，也可以搭建自己的训练模型。
重要说明：
（1）项目Github源码：https://github.com/PanJinquan/tensorflow_models_learning，麻烦给个“Star”
（2）你需要一台显卡不错的服务器，不然会卡的一比，慢到花都谢了
（2）对于MobileNet、resnet等大型的网络模型，重头开始训练，是很难收敛的。但迁移学习finetune部分我还没有实现，大神要是现实了，分享一下哈。
（3）注意训练mobilenet时，在迭代10000次以前，loss和准确率几乎不会提高。一开始我以为是训练代码写错了，后来寻思了很久，才发现是模型太复杂了，所以收敛慢的一比，大概20000次迭代后，准确率才开始蹭蹭的往上长,迭代十万次后准确率才70%，
目录
使用自己的数据集训练MobileNet图像识别（TensorFlow）
1、项目文件结构说明
tensorflow_models_nets：
|__dataset #数据文件
|__record #里面存放record文件
|__train #train原始图片
|__val #val原始图片
|__models #保存训练的模型
|__slim #这个是拷贝自slim模块：https://github.com/tensorflow/models/tree/master/research/slim
|__test_image #存放测试的图片
|__create_labels_files.py #制作trian和val TXT的文件
|__create_tf_record.py #制作tfrecord文件
|__inception_v1_train_val.py #inception V1的训练文件
|__inception_v3_train_val.py # inception V3训练文件
|__mobilenet_train_val.py#mobilenet训练文件
|__resnet_v1_train_val.py#resnet训练文件
|__predict.py # 模型预测文件
2、MobileNet的网络：
关于MobileNet模型，请详看这篇博客《轻量级网络--MobileNet论文解读》https://blog.csdn.net/u011974639/article/details/79199306 ，本博客不会纠结于模型原理和论文，主要分享的是用自己的数据集去训练MobileNet的方法。
3、图片数据集
下面是我下载的数据集，共有五类图片，分别是：flower、guitar、animal、houses和plane，每组数据集大概有800张左右。为了照顾网友，下面的数据集，都已经放在Github项目的文件夹dataset上了，不需要你下载了，记得给个“star”哈
animal：http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/pets/
flower：http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/flowers/
plane：http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/airplanes_side/airplanes_side.tar
house：http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/houses/houses.tar
guitar：http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/data/guitars/guitars.tar
下载图片数据集后，需要划分为train和val数据集，前者用于训练模型的数据，后者主要用于验证模型。这里提供一个create_labels_files.py脚本，可以直接生成训练train和验证val的数据集txt文件。
#-*-coding:utf-8-*-
"""
@Project: googlenet_classification
@File : create_labels_files.py
@Author : panjq
@E-mail : [email protected]
@Date : 2018-08-11 10:15:28
"""
import os
import os.path
def write_txt(content, filename, mode='w'):
"""保存txt数据
:param content:需要保存的数据,type->list
:param filename:文件名
:param mode:读写模式:'w' or 'a'
:return: void
"""
with open(filename, mode) as f:
for line in content:
str_line = ""
for col, data in enumerate(line):
if not col == len(line) - 1:
# 以空格作为分隔符
str_line = str_line + str(data) + " "
else:
# 每行最后一个数据用换行符“\n”
str_line = str_line + str(data) + "\n"
f.write(str_line)
def get_files_list(dir):
'''
实现遍历dir目录下,所有文件(包含子文件夹的文件)
:param dir:指定文件夹目录
:return:包含所有文件的列表->list
'''
# parent:父目录, filenames:该目录下所有文件夹,filenames:该目录下的文件名
files_list = []
for parent, dirnames, filenames in os.walk(dir):
for filename in filenames:
# print("parent is: " + parent)
# print("filename is: " + filename)
# print(os.path.join(parent, filename)) # 输出rootdir路径下所有文件（包含子文件）信息
curr_file=parent.split(os.sep)[-1]
if curr_file=='flower':
labels=0
elif curr_file=='guitar':
labels=1
elif curr_file=='animal':
labels=2
elif curr_file=='houses':
labels=3
elif curr_file=='plane':
labels=4
files_list.append([os.path.join(curr_file, filename),labels])
return files_list
if __name__ == '__main__':
train_dir = 'dataset/train'
train_txt='dataset/train.txt'
train_data = get_files_list(train_dir)
write_txt(train_data,train_txt,mode='w')
val_dir = 'dataset/val'
val_txt='dataset/val.txt'
val_data = get_files_list(val_dir)
write_txt(val_data,val_txt,mode='w')
注意，上面Python代码，已经定义每组图片对应的标签labels：
flower ->labels=0
guitar ->labels=1
animal ->labels=2
houses ->labels=3
plane ->labels=44、制作tfrecords数据格式
有了 train.txt和val.txt数据集，我们就可以制作train.tfrecords和val.tfrecords文件了，项目提供一个用于制作tfrecords数据格式的Python文件：create_tf_record.py，鄙人已经把代码放在另一篇博客：《Tensorflow生成自己的图片数据集TFrecords》https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/80857228 ，代码有详细注释了，所以这里不贴出来了.
注意：
（1）create_tf_record.py将train和val数据分别保存为单个record文件，当图片数据很多时候，会导致单个record文件超级巨大的情况，解决方法就是，将数据分成多个record文件保存，读取时，只需要将多个record文件的路径列表交给“tf.train.string_input_producer”即可。
（2）如何将数据保存为多个record文件呢？请参考鄙人的博客：《Tensorflow生成自己的图片数据集TFrecords》https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/80857228
为了方便大家，项目以及适配了“create_tf_record.py”文件，dataset已经包含了训练和测试的图片，请直接运行create_tf_record.py即可生成tfrecords文件。
对于InceptionNet V1:设置resize_height和resize_width = 224
对于InceptionNet V3:设置resize_height和resize_width = 299
其他模型，请根据输入需要设置resize_height和resize_width的大小
if __name__ == '__main__':
# 参数设置
resize_height = 224 # 指定存储图片高度
resize_width = 224 # 指定存储图片宽度
shuffle=True
log=5
# 产生train.record文件
image_dir='dataset/train'
train_labels = 'dataset/train.txt' # 图片路径
train_record_output = 'dataset/record/train{}.tfrecords'.format(resize_height)
create_records(image_dir,train_labels, train_record_output, resize_height, resize_width,shuffle,log)
train_nums=get_example_nums(train_record_output)
print("save train example nums={}".format(train_nums))
# 产生val.record文件
image_dir='dataset/val'
val_labels = 'dataset/val.txt' # 图片路径
val_record_output = 'dataset/record/val{}.tfrecords'.format(resize_height)
create_records(image_dir,val_labels, val_record_output, resize_height, resize_width,shuffle,log)
val_nums=get_example_nums(val_record_output)
print("save val example nums={}".format(val_nums))
# 测试显示函数
# disp_records(train_record_output,resize_height, resize_width)
batch_test(train_record_output,resize_height, resize_width)create_tf_record.py提供几个重要的函数：
- create_records()：用于制作records数据的函数，
- read_records()：用于读取records数据的函数,
- get_batch_images():用于生成批训练数据的函数
- get_example_nums：统计tf_records图像的个数(example个数)
- disp_records(): 解析record文件，并显示图片，主要用于验证生成record文件是否成功
5、MobileNet模型
官网TensorFlow已经提供了使用TF-slim实现的MobileNet模型。
1、官网模型地址：https://github.com/tensorflow/models/tree/master/research/slim/nets
2、slim/nets下的模型都是用TF-slim实现的网络结构，关系TF-slim的用法，可参考：
《tensorflow中slim模块api介绍》：https://blog.csdn.net/guvcolie/article/details/77686555
6、训练方法实现过程
训练文件源码已经给了较为详细的注释，不明白请在评论区留言吧
#coding=utf-8
import tensorflow as tf
import numpy as np
import pdb
import os
from datetime import datetime
import slim.nets.mobilenet_v1 as mobilenet_v1
from create_tf_record import *
import tensorflow.contrib.slim as slim
'''
参考资料：https://www.cnblogs.com/adong7639/p/7942384.html
'''
labels_nums = 5 # 类别个数
batch_size = 16 #
resize_height = 224 # mobilenet_v1.default_image_size 指定存储图片高度
resize_width = 224 # mobilenet_v1.default_image_size 指定存储图片宽度
depths = 3
data_shape = [batch_size, resize_height, resize_width, depths]
# 定义input_images为图片数据
input_images = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, resize_height, resize_width, depths], name='input')
# 定义input_labels为labels数据
# input_labels = tf.placeholder(dtype=tf.int32, shape=[None], name='label')
input_labels = tf.placeholder(dtype=tf.int32, shape=[None, labels_nums], name='label')
# 定义dropout的概率
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32,name='keep_prob')
is_training = tf.placeholder(tf.bool, name='is_training')
def net_evaluation(sess,loss,accuracy,val_images_batch,val_labels_batch,val_nums):
val_max_steps = int(val_nums / batch_size)
val_losses = []
val_accs = []
for _ in range(val_max_steps):
val_x, val_y = sess.run([val_images_batch, val_labels_batch])
# print('labels:',val_y)
# val_loss = sess.run(loss, feed_dict={x: val_x, y: val_y, keep_prob: 1.0})
# val_acc = sess.run(accuracy,feed_dict={x: val_x, y: val_y, keep_prob: 1.0})
val_loss,val_acc = sess.run([loss,accuracy], feed_dict={input_images: val_x, input_labels: val_y, keep_prob:1.0, is_training: False})
val_losses.append(val_loss)
val_accs.append(val_acc)
mean_loss = np.array(val_losses, dtype=np.float32).mean()
mean_acc = np.array(val_accs, dtype=np.float32).mean()
return mean_loss, mean_acc
def step_train(train_op,loss,accuracy,
train_images_batch,train_labels_batch,train_nums,train_log_step,
val_images_batch,val_labels_batch,val_nums,val_log_step,
snapshot_prefix,snapshot):
'''
循环迭代训练过程
:param train_op: 训练op
:param loss: loss函数
:param accuracy: 准确率函数
:param train_images_batch: 训练images数据
:param train_labels_batch: 训练labels数据
:param train_nums: 总训练数据
:param train_log_step: 训练log显示间隔
:param val_images_batch: 验证images数据
:param val_labels_batch: 验证labels数据
:param val_nums: 总验证数据
:param val_log_step: 验证log显示间隔
:param snapshot_prefix: 模型保存的路径
:param snapshot: 模型保存间隔
:return: None
'''
saver = tf.train.Saver(max_to_keep=5)
max_acc = 0.0
with tf.Session() as sess:
sess.run(tf.global_variables_initializer())
sess.run(tf.local_variables_initializer())
coord = tf.train.Coordinator()
threads = tf.train.start_queue_runners(sess=sess, coord=coord)
for i in range(max_steps + 1):
batch_input_images, batch_input_labels = sess.run([train_images_batch, train_labels_batch])
_, train_loss = sess.run([train_op, loss], feed_dict={input_images: batch_input_images,
input_labels: batch_input_labels,
keep_prob: 0.8, is_training: True})
# train测试(这里仅测试训练集的一个batch)
if i % train_log_step == 0:
train_acc = sess.run(accuracy, feed_dict={input_images: batch_input_images,
input_labels: batch_input_labels,
keep_prob: 1.0, is_training: False})
print("%s: Step [%d] train Loss : %f, training accuracy : %g" % (
datetime.now(), i, train_loss, train_acc))
# val测试(测试全部val数据)
if i % val_log_step == 0:
mean_loss, mean_acc = net_evaluation(sess, loss, accuracy, val_images_batch, val_labels_batch, val_nums)
print("%s: Step [%d] val Loss : %f, val accuracy : %g" % (datetime.now(), i, mean_loss, mean_acc))
# 模型保存:每迭代snapshot次或者最后一次保存模型
if (i % snapshot == 0 and i > 0) or i == max_steps:
print('-----save:{}-{}'.format(snapshot_prefix, i))
saver.save(sess, snapshot_prefix, global_step=i)
# 保存val准确率最高的模型
if mean_acc > max_acc and mean_acc > 0.7:
max_acc = mean_acc
path = os.path.dirname(snapshot_prefix)
best_models = os.path.join(path, 'best_models_{}_{:.4f}.ckpt'.format(i, max_acc))
print('------save:{}'.format(best_models))
saver.save(sess, best_models)
coord.request_stop()
coord.join(threads)
def train(train_record_file,
train_log_step,
train_param,
val_record_file,
val_log_step,
labels_nums,
data_shape,
snapshot,
snapshot_prefix):
'''
:param train_record_file: 训练的tfrecord文件
:param train_log_step: 显示训练过程log信息间隔
:param train_param: train参数
:param val_record_file: 验证的tfrecord文件
:param val_log_step: 显示验证过程log信息间隔
:param val_param: val参数
:param labels_nums: labels数
:param data_shape: 输入数据shape
:param snapshot: 保存模型间隔
:param snapshot_prefix: 保存模型文件的前缀名
:return:
'''
[base_lr,max_steps]=train_param
[batch_size,resize_height,resize_width,depths]=data_shape
# 获得训练和测试的样本数
train_nums=get_example_nums(train_record_file)
val_nums=get_example_nums(val_record_file)
print('train nums:%d,val nums:%d'%(train_nums,val_nums))
# 从record中读取图片和labels数据
# train数据,训练数据一般要求打乱顺序shuffle=True
train_images, train_labels = read_records(train_record_file, resize_height, resize_width, type='normalization')
train_images_batch, train_labels_batch = get_batch_images(train_images, train_labels,
batch_size=batch_size, labels_nums=labels_nums,
one_hot=True, shuffle=True)
# val数据,验证数据可以不需要打乱数据
val_images, val_labels = read_records(val_record_file, resize_height, resize_width, type='normalization')
val_images_batch, val_labels_batch = get_batch_images(val_images, val_labels,
batch_size=batch_size, labels_nums=labels_nums,
one_hot=True, shuffle=False)
# Define the model:
with slim.arg_scope(mobilenet_v1.mobilenet_v1_arg_scope()):
out, end_points = mobilenet_v1.mobilenet_v1(inputs=input_images, num_classes=labels_nums,
dropout_keep_prob=keep_prob, is_training=is_training,
global_pool=True)
# Specify the loss function: tf.losses定义的loss函数都会自动添加到loss函数,不需要add_loss()了
tf.losses.softmax_cross_entropy(onehot_labels=input_labels, logits=out) # 添加交叉熵损失loss=1.6
# slim.losses.add_loss(my_loss)
loss = tf.losses.get_total_loss(add_regularization_losses=True) # 添加正则化损失loss=2.2
# Specify the optimization scheme:
# 在定义训练的时候, 注意到我们使用了`batch_norm`层时,需要更新每一层的`average`和`variance`参数,
# 更新的过程不包含在正常的训练过程中, 需要我们去手动像下面这样更新
# 通过`tf.get_collection`获得所有需要更新的`op`
update_ops = tf.get_collection(tf.GraphKeys.UPDATE_OPS)
# 使用`tensorflow`的控制流, 先执行更新算子, 再执行训练
with tf.control_dependencies(update_ops):
print("update_ops:{}".format(update_ops))
# create_train_op that ensures that when we evaluate it to get the loss,
# the update_ops are done and the gradient updates are computed.
# train_op = tf.train.MomentumOptimizer(learning_rate=base_lr, momentum=0.9).minimize(loss)
train_op = tf.train.AdadeltaOptimizer(learning_rate=base_lr).minimize(loss)
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(tf.equal(tf.argmax(out, 1), tf.argmax(input_labels, 1)), tf.float32))
# 循环迭代过程
step_train(train_op=train_op, loss=loss, accuracy=accuracy,
train_images_batch=train_images_batch,
train_labels_batch=train_labels_batch,
train_nums=train_nums,
train_log_step=train_log_step,
val_images_batch=val_images_batch,
val_labels_batch=val_labels_batch,
val_nums=val_nums,
val_log_step=val_log_step,
snapshot_prefix=snapshot_prefix,
snapshot=snapshot)
if __name__ == '__main__':
train_record_file='dataset/record/train224.tfrecords'
val_record_file='dataset/record/val224.tfrecords'
train_log_step=100
base_lr = 0.001 # 学习率
# 重头开始训练的话，mobilenet收敛慢的一比，大概20000次迭代后，准确率开始蹭蹭的往上长,迭代十万次后准确率才70%
max_steps = 100000 # 迭代次数
train_param=[base_lr,max_steps]
val_log_step=500
snapshot=2000#保存文件间隔
snapshot_prefix='models/model.ckpt'
train(train_record_file=train_record_file,
train_log_step=train_log_step,
train_param=train_param,
val_record_file=val_record_file,
val_log_step=val_log_step,
labels_nums=labels_nums,
data_shape=data_shape,
snapshot=snapshot,
snapshot_prefix=snapshot_prefix)
7、模型预测
模型预测，项目只提供一个predict.py，实质上，你只需要稍微改改，就可以预测其他模型
#coding=utf-8
import tensorflow as tf
import numpy as np
import pdb
import cv2
import os
import glob
import slim.nets.inception_v3 as inception_v3
from create_tf_record import *
import tensorflow.contrib.slim as slim
def predict(models_path,image_dir,labels_filename,labels_nums, data_format):
[batch_size, resize_height, resize_width, depths] = data_format
labels = np.loadtxt(labels_filename, str, delimiter='\t')
input_images = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, resize_height, resize_width, depths], name='input')
#其他模型预测请修改这里
with slim.arg_scope(inception_v3.inception_v3_arg_scope()):
out, end_points = inception_v3.inception_v3(inputs=input_images, num_classes=labels_nums, dropout_keep_prob=1.0, is_training=False)
# 将输出结果进行softmax分布,再求最大概率所属类别
score = tf.nn.softmax(out,name='pre')
class_id = tf.argmax(score, 1)
sess = tf.InteractiveSession()
sess.run(tf.global_variables_initializer())
saver = tf.train.Saver()
saver.restore(sess, models_path)
images_list=glob.glob(os.path.join(image_dir,'*.jpg'))
for image_path in images_list:
im=read_image(image_path,resize_height,resize_width,normalization=True)
im=im[np.newaxis,:]
#pred = sess.run(f_cls, feed_dict={x:im, keep_prob:1.0})
pre_score,pre_label = sess.run([score,class_id], feed_dict={input_images:im})
max_score=pre_score[0,pre_label]
print("{} is: pre labels:{},name:{} score: {}".format(image_path,pre_label,labels[pre_label], max_score))
sess.close()
if __name__ == '__main__':
class_nums=5
image_dir='test_image'
labels_filename='dataset/label.txt'
models_path='models/model.ckpt-10000'
batch_size = 1 #
resize_height = 299 # 指定存储图片高度
resize_width = 299 # 指定存储图片宽度
depths=3
data_format=[batch_size,resize_height,resize_width,depths]
predict(models_path,image_dir, labels_filename, class_nums, data_format)
8、其他模型训练方法
上面的程序是训练MobileNet的完整过程，实质上，稍微改改就可以支持训练 inception V1，V2和resnet 啦，改动方法也很简单，以 MobileNe训练代码改为resnet_v1模型为例：
（1）import 改为：
# 将
import slim.nets.mobilenet_v1 as mobilenet_v1
# 改为
import slim.nets.resnet_v1 as resnet_v1
（2）record数据
制作record数据时，需要根据模型输入设置：
resize_height = 224 # 指定存储图片高度
resize_width = 224 # 指定存储图片宽度
（3）定义模型和默认参数修改：
# 将
# Define the model:
with slim.arg_scope(mobilenet_v1.mobilenet_v1_arg_scope()):
out, end_points = mobilenet_v1.mobilenet_v1(inputs=input_images, num_classes=labels_nums,
dropout_keep_prob=keep_prob, is_training=is_training,
global_pool=True)
# 改为
# Define the model:
with slim.arg_scope(resnet_v1.resnet_arg_scope()):
out, end_points = resnet_v1.resnet_v1_101(inputs=input_images, num_classes=labels_nums, is_training=is_training,global_pool=True)
（4）修改优化方案
对于大型的网络模型，重头开始训练，是很难收敛的。训练mobilenet时，在迭代10000次以前，loss和准确率几乎不会提高。一开始我以为是训练代码写错了，后来寻思了很久，才发现是模型太复杂了，所以收敛慢的一比，大概20000次迭代后，准确率才开始蹭蹭的往上长,迭代十万次后准确率才70%，若训练过程发现不收敛，请尝试修改：
1、等！！！！至少你要迭代50000次，才能说你的模型不收敛！
2、增大或减小学习率参数：base_lr（个人经验：模型越深越复杂时，学习率越小）
3、改变优化方案：如使用MomentumOptimizer或者AdadeltaOptimizer等优化方法
4、是否有设置默认的模型参数：如slim.arg_scope(inception_v1.inception_v1_arg_scope())
……最后，就可以Train了！是的，就是那么简单~