Python人工智能 | 十.Tensorflow+Opencv实现CNN自定义图像分类案例及与KNN对比

原创 Eastmount 娜璋AI安全之家

收录于合集

前一篇文章详细讲解了卷积神经网络CNN原理，并通过TensorFlow编写CNN实现了MNIST分类学习案例。本篇文章将通过Tensorflow和Opencv实现CNN自定义图像分类案例，它能解决我们现实论文或实践中的图像分类问题，并与机器学习的图像分类算法进行对比实验。

本专栏主要结合作者之前的博客、AI经验和相关文章及论文介绍，后面随着深入会讲解更多的Python人工智能案例及应用。基础性文章，希望对您有所帮助，如果文章中存在错误或不足之处，还请海涵。作者作为人工智能的菜鸟，希望大家能与我在这一笔一划的博客中成长起来。写了这么多年博客，尝试第一个付费专栏，但更多博客尤其基础性文章，还是会继续免费分享，但该专栏也会用心撰写，望对得起读者，共勉！

文章目录：

一.图像分类
二.基于KNN算法的图像分类
1.KNN算法
2.数据集
3.KNN图像分类
三.Tensorflow+Opencv实现CNN图像分类
1.OpenCV库安装
2.读取文件夹图像
3.搭建CNN
4.定义损失函数和优化器
5.模型训练和预测
6.完整代码及实验结果
四.总结

代码下载地址（欢迎大家关注点赞）：

https://github.com/eastmountyxz/
AI-for-TensorFlow
https://github.com/eastmountyxz/
AI-for-Keras

学Python近八年，认识了很多大佬和朋友，感恩。作者的本意是帮助更多初学者入门，因此在github开源了所有代码，也在公众号同步更新。深知自己很菜，得拼命努力前行，编程也没有什么捷径，干就对了。希望未来能更透彻学习和撰写文章，也能在读博几年里学会真正的独立科研。同时非常感谢参考文献中的大佬们的文章和分享。
- https://blog.csdn.net/eastmount

一.图像分类

图像分类（Image Classification）是对图像内容进行分类的问题，它利用计算机对图像进行定量分析，把图像或图像中的区域划分为若干个类别，以代替人的视觉判断。图像分类的传统方法是特征描述及检测，这类传统方法可能对于一些简单的图像分类是有效的，但由于实际情况非常复杂，传统的分类方法不堪重负。现在，广泛使用机器学习和深度学习的方法来处理图像分类问题，其主要任务是给定一堆输入图片，将其指派到一个已知的混合类别中的某个标签。

在下图中，图像分类模型将获取单个图像，并将为4个标签{cat，dog，hat，mug}，分别对应概率{0.6, 0.3, 0.05, 0.05}，其中0.6表示图像标签为猫的概率，其余类比。该图像被表示为一个三维数组。在这个例子中，猫的图像宽度为248像素，高度为400像素，并具有红绿蓝三个颜色通道（通常称为RGB）。因此，图像由248×400×3个数字组成或总共297600个数字，每个数字是一个从0（黑色）到255（白色）的整数。图像分类的任务是将这接近30万个数字变成一个单一的标签，如“猫（cat）”。

那么，如何编写一个图像分类的算法呢？

又怎么从众多图像中识别出猫呢？这里所采取的方法和教育小孩看图识物类似，给出很多图像数据，让模型不断去学习每个类的特征。在训练之前，首先需要对训练集的图像进行分类标注，如图所示，包括cat、dog、mug和hat四类。在实际工程中，可能有成千上万类别的物体，每个类别都会有上百万张图像。

图像分类是输入一堆图像的像素值数组，然后给它分配一个分类标签，通过训练学习来建立算法模型，接着使用该模型进行图像分类预测，具体流程如下：

输入：输入包含N个图像的集合，每个图像的标签是K种分类标签中的一种，这个集合称为训练集。
学习：第二步任务是使用训练集来学习每个类的特征，构建训练分类器或者分类模型。
评价：通过分类器来预测新输入图像的分类标签，并以此来评价分类器的质量。通过分类器预测的标签和图像真正的分类标签对比，从而评价分类算法的好坏。如果分类器预测的分类标签和图像真正的分类标签一致，表示预测正确，否则预测错误。

常见的分类算法包括朴素贝叶斯分类器、决策树、K最近邻分类算法、支持向量机、神经网络和基于规则的分类算法等，同时还有用于组合单一类方法的集成学习算法，如Bagging和Boosting等。

二.基于KNN算法的图像分类

1.KNN算法

K最近邻分类（K-Nearest Neighbor Classifier）算法是一种基于实例的分类方法，是数据挖掘分类技术中最简单常用的方法之一。该算法的核心思想是从训练样本中寻找所有训练样本X中与测试样本距离（欧氏距离）最近的前K个样本（作为相似度），再选择与待分类样本距离最小的K个样本作为X的K个最邻近，并检测这K个样本大部分属于哪一类样本，则认为这个测试样本类别属于这一类样本。

假设现在需要判断下图中的圆形图案属于三角形还是正方形类别，采用KNN算法分析如下：

当K=3时，图中第一个圈包含了三个图形，其中三角形2个，正方形一个，该圆的则分类结果为三角形。
当K=5时，第二个圈中包含了5个图形，三角形2个，正方形3个，则以3:2的投票结果预测圆为正方形类标。设置不同的K值，可能预测得到不同的结果。

简而言之，一个样本与数据集中的k个最相邻样本中的大多数的类别相同。由其思想可以看出，KNN是通过测量不同特征值之间的距离进行分类，而且在决策样本类别时，只参考样本周围k个“邻居”样本的所属类别。因此比较适合处理样本集存在较多重叠的场景，主要用于预测分析、文本分类、降维等处理。

KNN在Sklearn机器学习包中，实现的类如下，简称KNN算法。构造方法为：

neighbors.KNeighborsClassifier

KNeighborsClassifier(algorithm='ball_tree', 
    leaf_size=30, 
    metric='minkowski',
    metric_params=None, 
    n_jobs=1, 
    n_neighbors=3, 
    p=2, 
    weights='uniform')

KNeighborsClassifier可以设置3种算法：brute、kd_tree、ball_tree，设置K值参数为n_neighbors=3。调用方法如下：

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3, algorithm=“ball_tree”)

它包括两个步骤：

训练：nbrs.fit(data, target)
预测：pre = clf.predict(data)

2.数据集

该部分主要使用Scikit-Learn包进行Python图像分类处理。Scikit-Learn扩展包是用于Python数据挖掘和数据分析的经典、实用扩展包，通常缩写为Sklearn。Scikit-Learn中的机器学习模型是非常丰富的，包括线性回归、决策树、SVM、KMeans、KNN、PCA等等，用户可以根据具体分析问题的类型选择该扩展包的合适模型，从而进行数据分析，其安装过程主要通过“pip install scikit-learn”实现。

实验所采用的数据集为Sort_1000pics数据集，该数据集包含了1000张图片，总共分为10大类，分别是人（第0类）、沙滩（第1类）、建筑（第2类）、大卡车（第3类）、恐龙（第4类）、大象（第5类）、花朵（第6类）、马（第7类）、山峰（第8类）和食品（第9类），每类100张。如图所示。

接着将所有各类图像按照对应的类标划分至“0”至“9”命名的文件夹中，如图所示，每个文件夹中均包含了100张图像，对应同一类别。

比如，文件夹名称为“6”中包含了100张花的图像，如下图所示。

3.KNN图像分类

下面是调用KNN算法进行图像分类的完整代码，它将1000张图像按照训练集为70%，测试集为30%的比例随机划分，再获取每张图像的像素直方图，根据像素的特征分布情况进行图像分类分析。

KNeighborsClassifier()核心代码如下：

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
clf = KNeighborsClassifier(n_neighbors=11).fit(XX_train, y_train)
predictions_labels = clf.predict(XX_test)

完整代码及注释如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
import os
import cv2
import numpy as np
from sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report

#----------------------------------------------------------------------------------
# 第一步 切分训练集和测试集
#----------------------------------------------------------------------------------

X = [] #定义图像名称
Y = [] #定义图像分类类标
Z = [] #定义图像像素

for i in range(0, 10):
    #遍历文件夹，读取图片
    for f in os.listdir("photo/%s" % i):
        #获取图像名称
        X.append("photo//" +str(i) + "//" + str(f))
        #获取图像类标即为文件夹名称
        Y.append(i)

X = np.array(X)
Y = np.array(Y)

#随机率为100% 选取其中的30%作为测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y,
                                                    test_size=0.3, random_state=1)

print len(X_train), len(X_test), len(y_train), len(y_test)

#----------------------------------------------------------------------------------
# 第二步 图像读取及转换为像素直方图
#----------------------------------------------------------------------------------

#训练集
XX_train = []
for i in X_train:
    #读取图像
    #print i
    image = cv2.imread(i)
    
    #图像像素大小一致
    img = cv2.resize(image, (256,256),
                     interpolation=cv2.INTER_CUBIC)

    #计算图像直方图并存储至X数组
    hist = cv2.calcHist([img], [0,1], None,
                            [256,256], [0.0,255.0,0.0,255.0])

    XX_train.append(((hist/255).flatten()))

#测试集
XX_test = []
for i in X_test:
    #读取图像
    #print i
    image = cv2.imread(i)
    
    #图像像素大小一致
    img = cv2.resize(image, (256,256),
                     interpolation=cv2.INTER_CUBIC)

    #计算图像直方图并存储至X数组
    hist = cv2.calcHist([img], [0,1], None,
                            [256,256], [0.0,255.0,0.0,255.0])

    XX_test.append(((hist/255).flatten()))

#----------------------------------------------------------------------------------
# 第三步 基于KNN的图像分类处理
#----------------------------------------------------------------------------------

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
clf = KNeighborsClassifier(n_neighbors=11).fit(XX_train, y_train)
predictions_labels = clf.predict(XX_test)

print u'预测结果:'
print predictions_labels

print u'算法评价:'
print (classification_report(y_test, predictions_labels))

#输出前10张图片及预测结果
k = 0
while k<10:
    #读取图像
    print X_test[k]
    image = cv2.imread(X_test[k])
    print predictions_labels[k]
    #显示图像
    cv2.imshow("img", image)
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()
    k = k + 1

代码中对预测集的前十张图像进行了显示，其中“818.jpg”图像如图所示，其分类预测的类标结果为“8”，表示第8类山峰，预测结果正确。

下图展示了“452.jpg”图像，其分类预测的类标结果为“4”，表示第4类恐龙，预测结果正确。

下图展示了“507.jpg”图像，其分类预测的类标结果为“7”，错误地预测为第7类恐龙，其真实结果应该是第5类大象。

使用KNN算法进行图像分类实验，最后算法评价的准确率（Precision）、召回率（Recall）和F值（F1-score）如图所示，其中平均准确率为0.64，平均召回率为0.55，平均F值为0.50，其结果不是非常理想。

那么，如果采用CNN卷积神经网络进行分类，通过不断学习细节是否能提高准确度呢？

三.Tensorflow实现CNN图像分类

首先，我们需要在TensorFlow环境下安装OpenCV扩展包；其次需要通过TensorFlow环境搭建CNN神经网络；最后通过不断学实现图像分类实验。

1.OpenCV库安装

第一步，打开Anaconda程序，并选择已经安装好的“TensorFlow”环境，运行Spyder。

第二步，我们需要在TensorFlow环境中安装opencv-python扩展包，否则会提示错误“ModuleNotFoundError: No module named ‘cv2’”。调用Anaconda Prompt安装即可，如下图所示：

activate tensorflow
pip install opencv-python

安装成功如下图所示。

但是，由于anaconda的.org服务器在国外，下载速度很慢，提示错误“Anaconda An HTTP error occurred when trying to retrieve this URL.HTTP errors are often intermittent”。

解决方法一：从国内清华的镜像下载
解决方法二：从PYPI网站下载对应版本的opencv-python，在再安装本地下载的.whl文件。下载地址：

https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#OpenCV

由于第一种方法一直失败，这里推荐读者尝试第二种方法，同时作者会将“opencv_python-4.1.2-cp36-cp36m-win_amd64.whl”文件上传供大家直接使用。（4.1.2代表opencv的版本，cp36代表用的python3.6，并且是64位）。

第三步，调用PIP安装本地opencv扩展包。

activate tensorflow
pip install C:\Users\xiuzhang\Desktop\TensorFlow\opencv_python-4.1.2-cp36-cp36m-win_amd64.whl

这种方法非常迅速，推荐大家使用。安装成功之后，开始编写我们的代码吧！

2.读取文件夹图像

该部分具体步骤如下：

定义函数read_img()，读取文件夹“photo”中“0”到“9”的图像
调用cv2.imread()函数循环获取每张图片的所有像素值，并通过
cv2.resize()统一修改为32*32大小
依次获取图像像素、图像类标和图像路径名称：fpaths, data, label = read_img(path)
将图像的顺序随机调整，并按照2-8比例划分数据集，其中80%的数据用于训练，20%的数据用于测试

#---------------------------------第一步 读取图像-----------------------------------
def read_img(path):
    cate = [path + x for x in os.listdir(path) if os.path.isdir(path + x)]
    imgs = []
    labels = []
    fpath = []
    for idx, folder in enumerate(cate):
        # 遍历整个目录判断每个文件是不是符合
        for im in glob.glob(folder + '/*.jpg'):
            #print('reading the images:%s' % (im))
            img = cv2.imread(im)             #调用opencv库读取像素点
            img = cv2.resize(img, (32, 32))  #图像像素大小一致
            imgs.append(img)                 #图像数据
            labels.append(idx)               #图像类标
            fpath.append(path+im)            #图像路径名
            #print(path+im, idx)
            
    return np.asarray(fpath, np.string_), np.asarray(imgs, np.float32), np.asarray(labels, np.int32)

# 读取图像
fpaths, data, label = read_img(path)
print(data.shape)  # (1000, 256, 256, 3)
# 计算有多少类图片
num_classes = len(set(label))
print(num_classes)

# 生成等差数列随机调整图像顺序
num_example = data.shape[0]
arr = np.arange(num_example)
np.random.shuffle(arr)
data = data[arr]
label = label[arr]
fpaths = fpaths[arr]

# 拆分训练集和测试集 80%训练集 20%测试集
ratio = 0.8
s = np.int(num_example * ratio)
x_train = data[:s]
y_train = label[:s]
fpaths_train = fpaths[:s] 
x_val = data[s:]
y_val = label[s:]
fpaths_test = fpaths[s:] 
print(len(x_train),len(y_train),len(x_val),len(y_val)) #800 800 200 200
print(y_val)

3.搭建CNN

该部分具体步骤如下：

首先定义Placeholder，用于传入输入值，xs表示图片32*32像素点，并且包含RGB三个图层，故大小设置为32 * 32 * 3；ys表示每张图片最终预测的类标值。
调用tf.layers.conv2d()函数定义卷积层，包括20个卷积核，卷积核大小为5，激励函数为Relu；调用tf.layers.max_pooling2d()函数定义池化处理，步长为2，缩小一倍。
接着定义第二个卷积层和池化层，现共有conv0, pool0和conv1, pool1。
通过tf.layers.dense()函数定义全连接层，转换为长度为400的特征向量，加上DropOut防止过拟合。
输出层为logits，包括10个数字，最终预测结果为predicted_labels，即为tf.arg_max(logits, 1)。

#---------------------------------第二步 建立神经网络-----------------------------------
# 定义Placeholder
xs = tf.placeholder(tf.float32, [None, 32, 32, 3])  #每张图片32*32*3个点
ys = tf.placeholder(tf.int32, [None])               #每个样本有1个输出
# 存放DropOut参数的容器 
drop = tf.placeholder(tf.float32)                   #训练时为0.25 测试时为0

# 定义卷积层 conv0
conv0 = tf.layers.conv2d(xs, 20, 5, activation=tf.nn.relu)    #20个卷积核 卷积核大小为5 Relu激活
# 定义max-pooling层 pool0
pool0 = tf.layers.max_pooling2d(conv0, [2, 2], [2, 2])        #pooling窗口为2x2 步长为2x2
print("Layer0：\n", conv0, pool0)
 
# 定义卷积层 conv1
conv1 = tf.layers.conv2d(pool0, 40, 4, activation=tf.nn.relu) #40个卷积核 卷积核大小为4 Relu激活
# 定义max-pooling层 pool1
pool1 = tf.layers.max_pooling2d(conv1, [2, 2], [2, 2])        #pooling窗口为2x2 步长为2x2
print("Layer1：\n", conv1, pool1)

# 将3维特征转换为1维向量
flatten = tf.layers.flatten(pool1)

# 全连接层 转换为长度为400的特征向量
fc = tf.layers.dense(flatten, 400, activation=tf.nn.relu)
print("Layer2：\n", fc)

# 加上DropOut防止过拟合
dropout_fc = tf.layers.dropout(fc, drop)

# 未激活的输出层
logits = tf.layers.dense(dropout_fc, num_classes)
print("Output：\n", logits)

# 定义输出结果
predicted_labels = tf.arg_max(logits, 1)

4.定义损失函数和优化器

利用交叉熵定义损失，同时用AdamOptimizer优化器进行深度学习，核心代码如下。

one-hot类型数据又称为一位有效编码，主要是采用N位状态寄存器来对N个状态进行编码，每个状态都由他独立的寄存器位，并且在任意时候只有一位有效。例如[0 0 0 1 0 0 0 0 0 0…] 表示为“动物”。

# 利用交叉熵定义损失
losses = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(
        labels = tf.one_hot(ys, num_classes),       #将input转化为one-hot类型数据输出
        logits = logits)

# 平均损失
mean_loss = tf.reduce_mean(losses)

# 定义优化器 学习效率设置为0.0001
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=1e-4).minimize(losses)

5.模型训练和预测

定义标记变量train，当它为True时进行训练操作并保存训练模型；当其为False时进行预测，20%预测集进行图像分类预测实验。

#------------------------------------第四步 模型训练和预测-----------------------------------
# 用于保存和载入模型
saver = tf.train.Saver()
# 训练或预测
train = False
# 模型文件路径
model_path = "model/image_model"

with tf.Session() as sess:
    if train:
        print("训练模式")
        # 训练初始化参数
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        # 定义输入和Label以填充容器 训练时dropout为0.25
        train_feed_dict = {
                xs: x_train,
                ys: y_train,
                drop: 0.25
        }
        # 训练学习1000次
        for step in range(1000):
            _, mean_loss_val = sess.run([optimizer, mean_loss], feed_dict=train_feed_dict)
            if step % 50 == 0:  #每隔50次输出一次结果
                print("step = {}\t mean loss = {}".format(step, mean_loss_val))
        # 保存模型
        saver.save(sess, model_path)
        print("训练结束，保存模型到{}".format(model_path))
    else:
        print("测试模式")
        # 测试载入参数
        saver.restore(sess, model_path)
        print("从{}载入模型".format(model_path))
        # label和名称的对照关系
        label_name_dict = {
            0: "人类",
            1: "沙滩",
            2: "建筑",
            3: "公交",
            4: "恐龙",
            5: "大象",
            6: "花朵",
            7: "野马",
            8: "雪山",
            9: "美食"
        }
        # 定义输入和Label以填充容器 测试时dropout为0
        test_feed_dict = {
            xs: x_val,
            ys: y_val,
            drop: 0
        }
        
        # 真实label与模型预测label
        predicted_labels_val = sess.run(predicted_labels, feed_dict=test_feed_dict)
        for fpath, real_label, predicted_label in zip(fpaths_test, y_val, predicted_labels_val):
            # 将label id转换为label名
            real_label_name = label_name_dict[real_label]
            predicted_label_name = label_name_dict[predicted_label]
            print("{}\t{} => {}".format(fpath, real_label_name, predicted_label_name))
        # 评价结果
        print("正确预测个数:", sum(y_val==predicted_labels_val))
        print("准确度为:", 1.0*sum(y_val==predicted_labels_val) / len(y_val))

6.完整代码及实验结果

完整代码如下所示，这里参考了王诗爷老师的部分代码，强烈推荐大家学习他的博客。地址：https://blog.csdn.net/wills798

"""
Created on Sun Dec 29 19:21:08 2019
@author: xiuzhang Eastmount CSDN
"""
import os
import glob
import cv2
import numpy as np
import tensorflow as tf

# 定义图片路径
path = 'photo/'

#---------------------------------第一步 读取图像-----------------------------------
def read_img(path):
    cate = [path + x for x in os.listdir(path) if os.path.isdir(path + x)]
    imgs = []
    labels = []
    fpath = []
    for idx, folder in enumerate(cate):
        # 遍历整个目录判断每个文件是不是符合
        for im in glob.glob(folder + '/*.jpg'):
            #print('reading the images:%s' % (im))
            img = cv2.imread(im)             #调用opencv库读取像素点
            img = cv2.resize(img, (32, 32))  #图像像素大小一致
            imgs.append(img)                 #图像数据
            labels.append(idx)               #图像类标
            fpath.append(path+im)            #图像路径名
            #print(path+im, idx)
            
    return np.asarray(fpath, np.string_), np.asarray(imgs, np.float32), np.asarray(labels, np.int32)

# 读取图像
fpaths, data, label = read_img(path)
print(data.shape)  # (1000, 256, 256, 3)
# 计算有多少类图片
num_classes = len(set(label))
print(num_classes)

# 生成等差数列随机调整图像顺序
num_example = data.shape[0]
arr = np.arange(num_example)
np.random.shuffle(arr)
data = data[arr]
label = label[arr]
fpaths = fpaths[arr]

# 拆分训练集和测试集 80%训练集 20%测试集
ratio = 0.8
s = np.int(num_example * ratio)
x_train = data[:s]
y_train = label[:s]
fpaths_train = fpaths[:s] 
x_val = data[s:]
y_val = label[s:]
fpaths_test = fpaths[s:] 
print(len(x_train),len(y_train),len(x_val),len(y_val)) #800 800 200 200
print(y_val)


#---------------------------------第二步 建立神经网络-----------------------------------
# 定义Placeholder
xs = tf.placeholder(tf.float32, [None, 32, 32, 3])  #每张图片32*32*3个点
ys = tf.placeholder(tf.int32, [None])               #每个样本有1个输出
# 存放DropOut参数的容器 
drop = tf.placeholder(tf.float32)                   #训练时为0.25 测试时为0

# 定义卷积层 conv0
conv0 = tf.layers.conv2d(xs, 20, 5, activation=tf.nn.relu)    #20个卷积核 卷积核大小为5 Relu激活
# 定义max-pooling层 pool0
pool0 = tf.layers.max_pooling2d(conv0, [2, 2], [2, 2])        #pooling窗口为2x2 步长为2x2
print("Layer0：\n", conv0, pool0)
 
# 定义卷积层 conv1
conv1 = tf.layers.conv2d(pool0, 40, 4, activation=tf.nn.relu) #40个卷积核 卷积核大小为4 Relu激活
# 定义max-pooling层 pool1
pool1 = tf.layers.max_pooling2d(conv1, [2, 2], [2, 2])        #pooling窗口为2x2 步长为2x2
print("Layer1：\n", conv1, pool1)

# 将3维特征转换为1维向量
flatten = tf.layers.flatten(pool1)

# 全连接层 转换为长度为400的特征向量
fc = tf.layers.dense(flatten, 400, activation=tf.nn.relu)
print("Layer2：\n", fc)

# 加上DropOut防止过拟合
dropout_fc = tf.layers.dropout(fc, drop)

# 未激活的输出层
logits = tf.layers.dense(dropout_fc, num_classes)
print("Output：\n", logits)

# 定义输出结果
predicted_labels = tf.arg_max(logits, 1)


#---------------------------------第三步 定义损失函数和优化器---------------------------------

# 利用交叉熵定义损失
losses = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(
        labels = tf.one_hot(ys, num_classes),       #将input转化为one-hot类型数据输出
        logits = logits)

# 平均损失
mean_loss = tf.reduce_mean(losses)

# 定义优化器 学习效率设置为0.0001
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=1e-4).minimize(losses)


#------------------------------------第四步 模型训练和预测-----------------------------------
# 用于保存和载入模型
saver = tf.train.Saver()
# 训练或预测
train = False
# 模型文件路径
model_path = "model/image_model"

with tf.Session() as sess:
    if train:
        print("训练模式")
        # 训练初始化参数
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        # 定义输入和Label以填充容器 训练时dropout为0.25
        train_feed_dict = {
                xs: x_train,
                ys: y_train,
                drop: 0.25
        }
        # 训练学习1000次
        for step in range(1000):
            _, mean_loss_val = sess.run([optimizer, mean_loss], feed_dict=train_feed_dict)
            if step % 50 == 0:  #每隔50次输出一次结果
                print("step = {}\t mean loss = {}".format(step, mean_loss_val))
        # 保存模型
        saver.save(sess, model_path)
        print("训练结束，保存模型到{}".format(model_path))
    else:
        print("测试模式")
        # 测试载入参数
        saver.restore(sess, model_path)
        print("从{}载入模型".format(model_path))
        # label和名称的对照关系
        label_name_dict = {
            0: "人类",
            1: "沙滩",
            2: "建筑",
            3: "公交",
            4: "恐龙",
            5: "大象",
            6: "花朵",
            7: "野马",
            8: "雪山",
            9: "美食"
        }
        # 定义输入和Label以填充容器 测试时dropout为0
        test_feed_dict = {
            xs: x_val,
            ys: y_val,
            drop: 0
        }
        
        # 真实label与模型预测label
        predicted_labels_val = sess.run(predicted_labels, feed_dict=test_feed_dict)
        for fpath, real_label, predicted_label in zip(fpaths_test, y_val, predicted_labels_val):
            # 将label id转换为label名
            real_label_name = label_name_dict[real_label]
            predicted_label_name = label_name_dict[predicted_label]
            print("{}\t{} => {}".format(fpath, real_label_name, predicted_label_name))
        # 评价结果
        print("正确预测个数:", sum(y_val==predicted_labels_val))
        print("准确度为:", 1.0*sum(y_val==predicted_labels_val) / len(y_val))

训练输出结果如下所示：

(1000, 32, 32, 3)
10
800 800 200 200
[2 8 6 9 9 5 2 2 9 3 7 0 6 0 0 1 3 2 7 3 4 6 9 5 8 6 4 1 1 4 4 8 6 2 6 1 2
 5 0 7 9 5 2 4 6 8 7 5 8 1 6 5 1 4 8 1 9 1 8 8 6 1 0 5 3 3 1 2 9 1 8 7 6 0
 8 1 8 0 2 1 3 5 3 6 9 8 7 5 2 5 2 8 8 8 4 2 2 4 3 5 3 3 9 1 1 5 2 6 7 6 7
 0 7 4 1 7 2 9 4 0 3 8 7 5 3 8 1 9 3 6 8 0 0 1 7 7 9 5 4 0 3 0 4 5 7 2 2 3
 0 8 2 0 2 3 5 1 7 2 1 6 5 8 1 4 6 6 8 6 5 5 1 7 2 8 7 1 3 9 7 1 3 6 0 8 7
 5 8 0 1 2 7 9 6 2 4 7 7 2 8 0]

Layer0：
Tensor("conv2d_1/Relu:0", shape=(?, 28, 28, 20), dtype=float32) 
Tensor("max_pooling2d_1/MaxPool:0", shape=(?, 14, 14, 20), dtype=float32)
Layer1：
Tensor("conv2d_2/Relu:0", shape=(?, 11, 11, 40), dtype=float32) 
Tensor("max_pooling2d_2/MaxPool:0", shape=(?, 5, 5, 40), dtype=float32)
Layer2：
 Tensor("dense_1/Relu:0", shape=(?, 400), dtype=float32)
Output：
 Tensor("dense_2/BiasAdd:0", shape=(?, 10), dtype=float32)

训练模式
step = 0         mean loss = 66.93688201904297
step = 50        mean loss = 3.376957654953003
step = 100       mean loss = 0.5910811424255371
step = 150       mean loss = 0.061084795743227005
step = 200       mean loss = 0.013018212281167507
step = 250       mean loss = 0.006795921362936497
step = 300       mean loss = 0.004505819175392389
step = 350       mean loss = 0.0032660639844834805
step = 400       mean loss = 0.0024683878291398287
step = 450       mean loss = 0.0019308131886646152
step = 500       mean loss = 0.001541870180517435
step = 550       mean loss = 0.0012695763725787401
step = 600       mean loss = 0.0010685999877750874
step = 650       mean loss = 0.0009132082923315465
step = 700       mean loss = 0.0007910516578704119
step = 750       mean loss = 0.0006900889566168189
step = 800       mean loss = 0.0006068988586775959
step = 850       mean loss = 0.0005381597438827157
step = 900       mean loss = 0.0004809059901162982
step = 950       mean loss = 0.0004320790758356452
训练结束，保存模型到model/image_model

预测输出结果如下图所示，最终预测正确181张图片，准确度为0.905。相比之前机器学习KNN的0.500有非常高的提升。

测试模式
INFO:tensorflow:Restoring parameters from model/image_model
从model/image_model载入模型
b'photo/photo/3\\335.jpg'       公交 => 公交
b'photo/photo/1\\129.jpg'       沙滩 => 沙滩
b'photo/photo/7\\740.jpg'       野马 => 野马
b'photo/photo/5\\564.jpg'       大象 => 大象
...
b'photo/photo/9\\974.jpg'       美食 => 美食
b'photo/photo/2\\220.jpg'       建筑 => 公交
b'photo/photo/9\\912.jpg'       美食 => 美食
b'photo/photo/4\\459.jpg'       恐龙 => 恐龙
b'photo/photo/5\\525.jpg'       大象 => 大象
b'photo/photo/0\\44.jpg'        人类 => 人类

正确预测个数: 181
准确度为: 0.905

四.总结

写到这里，这篇文章就讲解完毕，更多TensorFlow深度学习文章会继续分享，同时实验评价、RNN、LSTM、各专业的案例都会进行深入讲解。

最后，希望这篇基础性文章对您有所帮助，如果文章中存在错误或不足之处，还请海涵~作为人工智能的菜鸟，我希望自己能不断进步并深入，后续将它应用于图像识别、网络安全、对抗样本等领域，指导大家撰写简单的学术论文，一起加油！

感恩有你，一路同行。

读博不易，但深夜总喜欢挤时间写上一篇文章，算是对自己这么多年分享的鼓励，也希望自己能坚持，感谢家人的支持，小珞珞太可爱了。如果您也是从事Python数据分析、图像处理、人工智能、网络安全的朋友，我们可以深入探讨，尤其是做研究的同学，共同进步~

前文分享（可以点击喔）：

天行健，君子以自强不息。
地势坤，君子以厚德载物。

真诚地感谢您关注“娜璋之家”公众号，也希望我的文章能陪伴你成长，希望在技术路上不断前行。文章如果对你有帮助、有感悟，就是对我最好的回报，且看且珍惜！再次感谢您的关注，也请帮忙宣传下“娜璋之家”，初来乍到，还请多指教。

(By:Eastmount 2021-11-17 夜于东西湖)

参考文献：

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[2] 杨秀璋, 颜娜. Python网络数据爬取及分析从入门到精通（分析篇）[M]. 北京：北京航天航空大学出版社, 2018.
[3] 罗子江等. Python中的图像处理[M]. 科学出版社, 2020.
[4] [python数据挖掘课程] 二十.KNN最近邻分类算法分析详解及平衡秤TXT数据集读取
[5] TensorFlow【极简】CNN - Yellow_python大神
[6] 基于深度神经网络的定向激活功能开发相位信息的声源定位 - 章子雎Kevin
[7] TensorFlow实战：Chapter-5（CNN-3-经典卷积神经网络（GoogleNet）) - DFann
[8] https://github.com/siucaan/CNN_MNIST
[9] 图像处理讲解-以CNN对图像进行分类为例 - 冰机灵
[10] 基于CNN的图像缺陷分类 - BellaVita1
[12] tensorflow（六）训练分类自己的图片（CNN超详细入门版）- Missayaa
[13] 详解tensorflow训练自己的数据集实现CNN图像分类 - 王诗爷（强推）
[14] https://github.com/hujunxianligong/Tensorflow-CNN-Tutorial
[15] tensorflow（三）：用CNN进行图像分类 - flowrush
[16] TensorFlow图像识别（物体分类）入门教程 - cococok2
[17] https://github.com/calssion/Fun_AI
[18] CNN图片分类 - 火舞_流沙
[19] CNN图片单标签分类（基于TensorFlow实现基础VGG16网络）
[20] https://github.com/siucaan/CNN_MNIST/blob/master/cnn_mnist_TF.py
[21] Tensorflow实现CNN用于MNIST识别 - siucaan （强推）
[22] 使用Anaconda3安装tensorflow，opencv，使其可以在spyder中运行