Keras深度学习实战（10）——迁移学习
0. 前言
在《卷积神经网络的局限性》中，我们看到从零开始训练卷积神经网络 (Convolutional Neural Network, CNN) 模型时，可能会遇到以下一些问题：
- 训练数据集中图像数量不足，使得模型难以学习
- 当图像尺寸很大时，卷积可能无法学习图像中的所有特征
第一个问题可以通过对增加数据集中的数据量来解决(即数据增强)，第二个问题可以通过在更深的网络架构上训练更多的 epoch 来解决(即增加训练量)。尽管我们能够通过执行所有这些操作来解决上述问题，但通常情况下，我们可能无法获取更多的训练数据。在这种情况下，使用预先训练完成的模型进行迁移学习将能够快速解决上述问题。
1. 迁移学习
1.1 迁移学习原理
迁移学习 (Transfer Learning) 是机器学习中的一个重要研究方向，研究如何将在任务 A 上学到的知识迁移至任务 B，例如任务 A 为猫狗分类，任务 B 为牛马分类，任务 A 和任务 B 中存在大量的可共享知识，例如动物的毛发、体型、形态等。因此在任务 A 训练获得的模型已经掌握了这些知识，在训练任务 B 的模型时，可以不必从零开始训练，而是在任务 A 上获得的知识的基础上面进行训练或微调 (Fine-tuning)。和从零开始训练卷积神经网络相比，利用迁移学习，只需要少量样本即可训练得到性能较好的模型。
简单而言，迁移学习是指将一个预训练的模型重新用于另一个任务中。如下图所示，我们可以重用建立在不同数据集上的卷积神经网络，卷积层已经学习了图像中的各种特征(由于预训练模型使用了大量的图片，因此这些特征对于所有图像而言都具有极大程度上的通用性)。因此，网络的前面数层可以重用，网络后面的数层可以根据具体的任务设定从零开始训练，以便我们可以在新的数据集中预测图像类别。Keras 中提供了多个由不同研究人员提出的预训练模型，本文我们将使用预训练的 VGG16 模型利用迁移学习进行性别分类任务实战。
1.2 ImageNet 数据集介绍
在开始实战迁移学习之前，我们首先了解下 Keras 中集成的预训练模型所使用的数据集 ImageNet。ImageNet 是一项权威性的图像识别竞赛，要求参与者预测图像所属类别，数据集中有数百万个图像，其中包含尺寸不同的多种类别的图像。有大量的研究团队参与了此竞赛，他们提出了不同的神经网络模型预测图像类别。鉴于有数百万个图像，因此数据集中的数据量不成问题，同时研究团队为了获取优异的模型性能构建了庞大的神经网络网络体系，因此也解决了在前言中所述的第二个问题。
2. 利用预训练 VGG16 模型进行性别分类
2.1 VGG16 架构
我们将学习如何利用 VGG16 预训练网络进行性别分类，在此之前，我们首先查看 VGG16 模型的体系架构信息，以便对模型架构有所了解：
Model: "vgg16"
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Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
input_1 (InputLayer) [(None, 256, 256, 3)] 0
_________________________________________________________________
block1_conv1 (Conv2D) (None, 256, 256, 64) 1792
_________________________________________________________________
block1_conv2 (Conv2D) (None, 256, 256, 64) 36928
_________________________________________________________________
block1_pool (MaxPooling2D) (None, 128, 128, 64) 0
_________________________________________________________________
block2_conv1 (Conv2D) (None, 128, 128, 128) 73856
_________________________________________________________________
block2_conv2 (Conv2D) (None, 128, 128, 128) 147584
_________________________________________________________________
block2_pool (MaxPooling2D) (None, 64, 64, 128) 0
_________________________________________________________________
block3_conv1 (Conv2D) (None, 64, 64, 256) 295168
_________________________________________________________________
block3_conv2 (Conv2D) (None, 64, 64, 256) 590080
_________________________________________________________________
block3_conv3 (Conv2D) (None, 64, 64, 256) 590080
_________________________________________________________________
block3_pool (MaxPooling2D) (None, 32, 32, 256) 0
_________________________________________________________________
block4_conv1 (Conv2D) (None, 32, 32, 512) 1180160
_________________________________________________________________
block4_conv2 (Conv2D) (None, 32, 32, 512) 2359808
_________________________________________________________________
block4_conv3 (Conv2D) (None, 32, 32, 512) 2359808
_________________________________________________________________
block4_pool (MaxPooling2D) (None, 16, 16, 512) 0
_________________________________________________________________
block5_conv1 (Conv2D) (None, 16, 16, 512) 2359808
_________________________________________________________________
block5_conv2 (Conv2D) (None, 16, 16, 512) 2359808
_________________________________________________________________
block5_conv3 (Conv2D) (None, 16, 16, 512) 2359808
_________________________________________________________________
block5_pool (MaxPooling2D) (None, 8, 8, 512) 0
=================================================================
Total params: 14,714,688
Trainable params: 14,714,688
Non-trainable params: 0
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该模型的架构与我们在《使用卷积神经网络实现性别分类》中训练的 CNN 模型类似，主要区别在于该模型更深，使用了更多的卷积、池化层，VGG16 网络的权重是通过对数百万个图像进行训练而获得的。
我们在使用预训练模型对图像中的人物进行性别分类时，确保冻结 VGG16 权重的更新。尺寸为 256x256x3 的图像通过 VGG16 网络后特征图形状为 8 x 8 x 512。我们将保持原始网络中的权重不变，得到 8 x 8 x 512 输出，之后将其通过另一个卷积池化操作，然后通过展平层后，连接到全连接层，然后使用 Sigmoid 激活函数确定图像中人物是男性还是女性。
本质上，通过使用 VGG16 模型的卷积和池化层，我们使用了在数以百万计的数据集上训练的卷积核。最终，我们为要预测的图片对象微调 (fine-tuning) 通过这些卷积和池化层得到的输出。
2.2 微调模型
本节中，我们使用 Keras 实现以上分析的迁移学习策略。首先，导入所需库以及预训练的 VGG16 模型。我们不使用 VGG16 模型中的最后一层，即 include_top=False，这是为了之后我们针对要解决的问题微调 VGG16 模型。另外，我们的指定输入图像形状为 256 X 256 X 3：
from keras.applications import VGG16
from keras.applications.vgg16 import preprocess_input
from glob import glob
from skimage import io
import cv2
import numpy as np
from sklearn.model_selection import train_test_split
vgg16_model = VGG16(include_top=False, weights='imagenet', input_shape=(256, 256, 3))
预处理图像数据集。此预处理步骤用于预处理图像数据，以确保其可以作为预训练模型输入。例如，我们对其中一个名为 img 的图像执行预处理，则使用 preprocess_input 方法根据 VGG16 中的预处理要求对图像进行预处理：
from keras.applications.vgg16 import preprocess_input
img = preprocess_input(img.reshape(1,256,256,3))
创建输入和输出数据集，首先加载图片，这一过程与《卷积神经网络进行性别分类》中加载数据的过程相同，然后增加了使用 VGG16 模型提取特征的过程。
我们通过 VGG16 模型提取每个图像特征，以便我们获取 VGG16 的输出作为后续微调模型的输入。并且，图片在输入 VGG16 之前需要使用 preprocess_input 方法执行预处理过程，如下所示：
x = []
y = []
for i in glob('man_woman/a_resized/*.jpg')[:800]:
try:
image = io.imread(i)
x.append(image)
y.append(0)
except:
continue
for i in glob('man_woman/b_resized/*.jpg')[:800]:
try:
image = io.imread(i)
x.append(image)
y.append(1)
except:
continue
x_vgg16 = []
for i in range(len(x)):
img = x[i]
img = preprocess_input(img.reshape((1, 256, 256, 3)))
# 将预处理后的输入传递给 VGG16 模型以提取特征
img_feature = vgg16_model.predict(img)
x_vgg16.append(img_feature)
在以上代码中，除了通过 VGG16 模型处理输入图像外，我们还将提取到的特征 img_feature 存储在列表 x_vgg16 中，作为后续微调模型的输入。
然后，将输入和输出转换为 NumPy 数组，并创建训练和测试数据集：
x_vgg16 = np.array(x_vgg16)
x_vgg16 = x_vgg16.reshape(x_vgg16.shape[0], x_vgg16.shape[2], x_vgg16.shape[3], x_vgg16.shape[4])
y = np.array(y)
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x_vgg16, y, test_size=0.2)
构建并编译模型：
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Flatten, Dropout, Dense
model_fine_tuning = Sequential()
model_fine_tuning.add(Conv2D(512,
kernel_size=(3, 3),
activation='relu',
input_shape=(x_train.shape[1], x_train.shape[2], x_train.shape[3])))
model_fine_tuning.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model_fine_tuning.add(Flatten())
model_fine_tuning.add(Dense(512, activation='relu'))
model_fine_tuning.add(Dropout(0.5))
model_fine_tuning.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
model_fine_tuning.summary()
微调模型的简要结构信息输入如下：
Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
conv2d (Conv2D) (None, 6, 6, 512) 2359808
_________________________________________________________________
max_pooling2d (MaxPooling2D) (None, 3, 3, 512) 0
_________________________________________________________________
flatten (Flatten) (None, 4608) 0
_________________________________________________________________
dense (Dense) (None, 128) 589952
_________________________________________________________________
dropout (Dropout) (None, 128) 0
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense) (None, 1) 129
=================================================================
Total params: 2,949,889
Trainable params: 2,949,889
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
编译并拟合模型：
model_fine_tuning.compile(loss='binary_crossentropy',optimizer='adam',metrics=['acc'])
history = model_fine_tuning.fit(x_train, y_train,
batch_size=32,
epochs=20,
verbose=1,
validation_data = (x_test, y_test))
在训练模型后，我们可以看到模型在测试数据集最终可以很快(大约需要 3-5 个 epoch )达到约 95％ 的准确率，而我们在《卷积神经网络进行性别分类》中训练的性别分类 CNN 模型在任何情况下都无法在 5 个 epoch 内达到 95％ 的分类准确率。：
2.3 错误分类的图片示例
模型分类错误的一些图像样本如下：
x = np.array(x)
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.2)
x_test_vgg16 = []
for i in range(len(x_test)):
img = x_test[i]
img = preprocess_input(img.reshape((1, 256, 256, 3)))
img_feature = model.predict(img)
x_test_vgg16.append(img_feature)
x_test_vgg16 = np.array(x_test_vgg16)
x_test_vgg16 = x_test_vgg16.reshape(x_test_vgg16.shape[0], x_test_vgg16.shape[2], x_test_vgg16.shape[3], x_test_vgg16.shape[4])
y_pred = model_fine_tuning.predict(x_test_vgg16)
wrong = np.argsort(np.abs(y_pred.flatten()-y_test))
print(wrong)
y_test_char = np.where(y_test==0,'M','F')
y_pred_char = np.where(y_pred>0.5,'F','M')
plt.subplot(221)
plt.imshow(x_test[wrong[-1]])
plt.title('Actual: '+str(y_test_char[wrong[-1]])+', '+'Predicted: '+str((y_pred_char[wrong[-1]][0])))
plt.subplot(222)
plt.imshow(x_test[wrong[-2]])
plt.title('Actual: '+str(y_test_char[wrong[-2]])+', '+'Predicted: '+str((y_pred_char[wrong[-2]][0])))
plt.subplot(223)
plt.imshow(x_test[wrong[-3]])
plt.title('Actual: '+str(y_test_char[wrong[-3]])+', '+'Predicted: '+str((y_pred_char[wrong[-3]][0])))
plt.subplot(224)
plt.imshow(x_test[wrong[-4]])
plt.title('Actual: '+str(y_test_char[wrong[-4]])+', '+'Predicted: '+str((y_pred_char[wrong[-4]][0])))
plt.show()
可以看到，当输入图像是面部的一部分，或者图像中的面部占整个图像的比例较小时，则模型可能会错误分类。
小结
本节中，首先简单回顾了卷积神经网络的一些局限性，为了克服这些局限性，引入了迁移学习的概念。通过实战可以看到，和从零开始训练卷积神经网络相比，利用迁移学习，只需要少量样本即可训练得到性能较好的模型。
系列链接
Keras深度学习实战（1）——神经网络基础与模型训练过程详解
Keras深度学习实战（2）——使用Keras构建神经网络
Keras深度学习实战（3）——神经网络性能优化技术
Keras深度学习实战（4）——深度学习中常用激活函数和损失函数详解
Keras深度学习实战（5）——批归一化详解
Keras深度学习实战（6）——深度学习过拟合问题及解决方法
Keras深度学习实战（7）——卷积神经网络详解与实现
Keras深度学习实战（8）——使用数据增强提高神经网络性能
Keras深度学习实战（9）——卷积神经网络的局限性
转载：https://blog.csdn.net/LOVEmy134611/article/details/124316211