人工智能识别图片入门

前言

TensorFlow 是一个开源的、基于 Python 的机器学习框架，它由 Google 开发，并在图形分类、音频处理、推荐系统和自然语言处理等场景下有着丰富的应用，是目前最热门的机器学习框架。
除了 Python，TensorFlow 也提供了 C/C++、Java、Go、R 等其它编程语言的接口。

TensorFlow 还有更多的特点，如下：

• 支持所有流行语言，如 Python、C++、Java、R和Go。
• 可以在多种平台上工作，甚至是移动平台和分布式平台。
• 它受到所有云服务（AWS、Google和Azure）的支持。
• Keras——高级神经网络 API，已经与 TensorFlow 整合。
• 与 Torch/Theano 比较，TensorFlow 拥有更好的计算图表可视化。
• 允许模型部署到工业生产中，并且容易使用。
• 有非常好的社区支持。
• TensorFlow 不仅仅是一个软件库，它是一套包括 TensorFlow，TensorBoard 和 TensorServing 的软件。

环境准备

安装Tensorflow

pip install tensorflow

第一个示例

import tensorflow as tf

# 载入并准备好 MNIST 数据集。将样本从整数转换为浮点数：
mnist = tf.keras.datasets.mnist
(x_train, y_train),(x_test, y_test) = mnist.load_data()
x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0

# 将模型的各层堆叠起来，以搭建 tf.keras.Sequential 模型。
model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(input_shape=(28,28)),
        tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
        tf.keras.layers.Dropout(0.2),
        tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax')])

# 为训练选择优化器和损失函数
model.compile(optimizer='adam',
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

# 训练并验证模型：
model.fit(x_train, y_train, epochs=5)
model.evaluate(x_test, y_test, verbose=2)

现在，这个照片分类器的准确度已经达到 98%。

实例进阶

本指南将训练一个神经网络模型，对运动鞋和衬衫等服装图像进行分类。即使您不理解所有细节也没关系；这只是对完整 TensorFlow 程序的快速概述，详细内容会在您实际操作的同时进行介绍。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

print(tf.__version__)

导入数据包

该数据集包含 10 个类别的 70,000 个灰度图像。这些图像以低分辨率（28x28 像素）展示了单件衣物，如下所示：

fashion_mnist = keras.datasets.fashion_mnist
(train_images, train_labels),(test_images, test_labels) = fashion_mnist.load_data()

加载数据集会返回四个 NumPy 数组：
train_images 和 train_labels 数组是训练集，即模型用于学习的数据。
测试集、test_images 和 test_labels 数组会被用来对模型进行测试。
图像是 28x28 的 NumPy 数组，像素值介于 0 到 255 之间。标签是整数数组，介于 0 到 9 之间。这些标签对应于图像所代表的服装类：

标签	类
0	T恤/上衣
1	裤子
2	套头衫
3	连衣裙
4	外套
5	凉鞋
6	衬衫
7	运动鞋
8	包
9	短靴
每个图像都会被映射到一个标签。由于数据集不包括类名称，请将它们存储在下方，供稍后绘制图像时使用：

class_names = ['T-shirt/top', 'Trouser', 'Pullover', 'Dress', 'Coat',
               'Sandal', 'Shirt', 'Sneaker', 'Bag', 'Ankle boot']

预处理数据

在训练网络之前，必须对数据进行预处理。如果您检查训练集中的第一个图像，您会看到像素值处于 0 到 255 之间：

plt.figure()
plt.imshow(train_images[0])
plt.colorbar()
plt.grid(False)
plt.show()

将这些值缩小至 0 到 1 之间，然后将其馈送到神经网络模型。为此，请将这些值除以 255。请务必以相同的方式对训练集和测试集进行预处理：

train_images = train_images / 255.0
test_images = test_images / 255.0

为了验证数据的格式是否正确，以及您是否已准备好构建和训练网络，让我们显示训练集中的前 25 个图像，并在每个图像下方显示类名称。

plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(25):
    plt.subplot(5,5,i+1)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.grid(False)
    plt.imshow(train_images[i], cmap=plt.cm.binary)
    plt.xlabel(class_names[train_labels[i]])
plt.show()

构建模型

构建神经网络需要先配置模型的层，然后再编译模型

设置层

神经网络的基本组成部分是层。层会从向其馈送的数据中提取表示形式。希望这些表示形式有助于解决手头上的问题。
大多数深度学习都包括将简单的层链接在一起。大多数层（如 tf.keras.layers.Dense）都具有在训练期间才会学习的参数。

model = keras.Sequential([
    keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)),
    keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
    keras.layers.Dense(10)
])

该网络的第一层 tf.keras.layers.Flatten 将图像格式从二维数组（28 x 28 像素）转换成一维数组（28 x 28 = 784 像素）。将该层视为图像中未堆叠的像素行并将其排列起来。该层没有要学习的参数，它只会重新格式化数据。

展平像素后，网络会包括两个 tf.keras.layers.Dense 层的序列。它们是密集连接或全连接神经层。第一个 Dense 层有 128 个节点（或神经元）。第二个（也是最后一个）层会返回一个长度为 10 的 logits 数组。每个节点都包含一个得分，用来表示当前图像属于 10 个类中的哪一类。

编译模型

在准备对模型进行训练之前，还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的：

损失函数 - 用于测量模型在训练期间的准确率。您会希望最小化此函数，以便将模型“引导”到正确的方向上。
优化器 - 决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
指标 - 用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率，即被正确分类的图像的比率。

model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

训练模型

训练神经网络模型需要执行以下步骤：

1. 将训练数据馈送给模型。在本例中，训练数据位于 train_images 和 train_labels 数组中。
2. 模型学习将图像和标签关联起来。
3. 要求模型对测试集（在本例中为 test_images 数组）进行预测。
4. 验证预测是否与 test_labels 数组中的标签相匹配。

向模型反馈数据

model.fit(train_images, train_labels, epochs=10)

在模型训练期间，会显示损失和准确率指标。此模型在训练数据上的准确率达到了 0.91（或 91%）左右。

准确率评估

test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images,  test_labels, verbose=2)

print('\nTest accuracy:', test_acc)

结果表明，模型在测试数据集上的准确率略低于训练数据集

进行预测

probability_model = tf.keras.Sequential([model, 
                                         tf.keras.layers.Softmax()])
predictions = probability_model.predict(test_images)
print(predictions[0])
print(np.argmax(predictions[0]))

在上例中，模型预测了测试集中每个图像的标签。我们来看看第一个预测结果：

因此，该模型非常确信这个图像是短靴，或 class_names[9]。
您可以将其绘制成图表，看看模型对于全部 10 个类的预测。

def plot_image(i, predictions_array, true_label, img):
  predictions_array, true_label, img = predictions_array, true_label[i], img[i]
  plt.grid(False)
  plt.xticks([])
  plt.yticks([])

  plt.imshow(img, cmap=plt.cm.binary)

  predicted_label = np.argmax(predictions_array)
  if predicted_label == true_label:
    color = 'blue'
  else:
    color = 'red'

  plt.xlabel("{} {:2.0f}% ({})".format(class_names[predicted_label],
                                100*np.max(predictions_array),
                                class_names[true_label]),
                                color=color)

def plot_value_array(i, predictions_array, true_label):
  predictions_array, true_label = predictions_array, true_label[i]
  plt.grid(False)
  plt.xticks(range(10))
  plt.yticks([])
  thisplot = plt.bar(range(10), predictions_array, color="#777777")
  plt.ylim([0, 1])
  predicted_label = np.argmax(predictions_array)

  thisplot[predicted_label].set_color('red')
  thisplot[true_label].set_color('blue')

验证预测结果

我们来看看第 0 个图像、预测结果和预测数组。正确的预测标签为蓝色，错误的预测标签为红色。数字表示预测标签的百分比（总计为 100）。

i = 0
plt.figure(figsize=(6,3))
plt.subplot(1,2,1)
plot_image(i, predictions[i], test_labels, test_images)
plt.subplot(1,2,2)
plot_value_array(i, predictions[i],  test_labels)
plt.show()

让我们用模型的预测绘制几张图像。请注意，即使置信度很高，模型也可能出错。

num_rows = 5
num_cols = 3
num_images = num_rows*num_cols
plt.figure(figsize=(2*2*num_cols, 2*num_rows))
for i in range(num_images):
  plt.subplot(num_rows, 2*num_cols, 2*i+1)
  plot_image(i, predictions[i], test_labels, test_images)
  plt.subplot(num_rows, 2*num_cols, 2*i+2)
  plot_value_array(i, predictions[i], test_labels)
plt.tight_layout()
plt.show()

训练好模型进行判断

img = test_images[1]
img = (np.expand_dims(img,0))
predictions_single = probability_model.predict(img)
print(predictions_single)
plot_value_array(1, predictions_single[0], test_labels)
_ = plt.xticks(range(10), class_names, rotation=45)
print(np.argmax(predictions_single[0]))

判断出这个图片的标签是2，通过上面的对照表对应生成套头衫。

建议大家使用jupyter notebook来运行上面的代码查看效果更佳。