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Keras搭建分類網(wǎng)絡(luò)平臺VGG16?MobileNet?ResNet50

更新時間：2022年05月06日 11:01:58 作者：Bubbliiiing

這篇文章主要為大家介紹了Keras搭建分類網(wǎng)絡(luò)平臺VGG16?MobileNet?ResNet50，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

分類網(wǎng)絡(luò)的常見形式

常見的分類網(wǎng)絡(luò)都可以分為兩部分，一部分是特征提取部分，另一部分是分類部分。

特征提取部分的功能是對輸入進來的圖片進行特征提取，優(yōu)秀的特征可以幫助更容易區(qū)分目標(biāo)，所以特征提取部分一般由各類卷積組成，卷積擁有強大的特征提取能力；

分類部分會利用特征提取部分獲取到的特征進行分類，分類部分一般由全連接組成，特征提取部分獲取到的特征一般是一維向量，可以直接進行全連接分類。

通常情況下，特征提取部分就是我們平常了解到的各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，比如VGG、Mobilenet、Resnet等等；而分類部分就是一次或者幾次的全連接，最終我們會獲得一個長度為num_classes的一維向量。

分類網(wǎng)絡(luò)介紹

1、VGG16網(wǎng)絡(luò)介紹

VGG是由Simonyan 和Zisserman在文獻《Very Deep Convolutional Networks for Large Scale Image Recognition》中提出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其名稱來源于作者所在的牛津大學(xué)視覺幾何組(Visual Geometry Group)的縮寫。

該模型參加2014年的 ImageNet圖像分類與定位挑戰(zhàn)賽，取得了優(yōu)異成績：在分類任務(wù)上排名第二，在定位任務(wù)上排名第一。

它的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

這是一個VGG16被用到爛的圖，但確實很好的反應(yīng)了VGG16的結(jié)構(gòu)，整個VGG16由三種不同的層組成，分別是卷積層、最大池化層、全連接層。

VGG16的具體執(zhí)行方式如下：

1、一張原始圖片被resize到(224,224,3)。

2、conv1：進行兩次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為64，輸出為(224,224,64)，再進行2X2最大池化，輸出net為(112,112,64)。

3、conv2：進行兩次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為128，輸出net為(112,112,128)，再進行2X2最大池化，輸出net為(56,56,128)。

4、conv3：進行三次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為256，輸出net為(56,56,256)，再進行2X2最大池化，輸出net為(28,28,256)。

5、conv4：進行三次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為512，輸出net為(28,28,512)，再進行2X2最大池化，輸出net為(14,14,512)。

6、conv5：進行三次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為512，輸出net為(14,14,512)，再進行2X2最大池化，輸出net為(7,7,512)。

7、對結(jié)果進行平鋪。

8、進行兩次神經(jīng)元為4096的全連接層。

9、全連接到1000維上，用于進行分類。

最后輸出的就是每個類的預(yù)測。

實現(xiàn)代碼如下：

import warnings
from keras.models import Model
from keras.layers import Input,Activation,Dropout,Reshape,Conv2D,MaxPooling2D,Dense,Flatten
from keras import backend as K
def VGG16(input_shape=None, classes=1000):
    img_input = Input(shape=input_shape)
    # Block 1
    x = Conv2D(64, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block1_conv1')(img_input)
    x = Conv2D(64, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block1_conv2')(x)
    x = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block1_pool')(x)
    # Block 2
    x = Conv2D(128, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block2_conv1')(x)
    x = Conv2D(128, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block2_conv2')(x)
    x = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block2_pool')(x)
    # Block 3
    x = Conv2D(256, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block3_conv1')(x)
    x = Conv2D(256, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block3_conv2')(x)
    x = Conv2D(256, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block3_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block3_pool')(x)
    # Block 4
    x = Conv2D(512, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block4_conv1')(x)
    x = Conv2D(512, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block4_conv2')(x)
    x = Conv2D(512, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block4_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block4_pool')(x)
    # Block 5
    x = Conv2D(512, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block5_conv1')(x)
    x = Conv2D(512, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block5_conv2')(x)
    x = Conv2D(512, (3, 3),
                      activation='relu',
                      padding='same',
                      name='block5_conv3')(x)
    x = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), name='block5_pool')(x)
    x = Flatten(name='flatten')(x)
    x = Dense(4096, activation='relu', name='fc1')(x)
    x = Dense(4096, activation='relu', name='fc2')(x)
    x = Dense(classes, activation='softmax', name='predictions')(x)
    inputs = img_input
    model = Model(inputs, x, name='vgg16')
    return model

2、MobilenetV1網(wǎng)絡(luò)介紹

MobilenetV1模型是Google針對手機等嵌入式設(shè)備提出的一種輕量級的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其使用的核心思想便是depthwise separable convolution（深度可分離卷積塊）。

深度可分離卷積塊由兩個部分組成，分別是深度可分離卷積和1x1普通卷積，深度可分離卷積的卷積核大小一般是3x3的，便于理解的話我們可以把它當(dāng)作是特征提取，1x1的普通卷積可以完成通道數(shù)的調(diào)整。

下圖為深度可分離卷積塊的結(jié)構(gòu)示意圖：

深度可分離卷積塊的目的是使用更少的參數(shù)來代替普通的3x3卷積。

我們可以進行一下普通卷積和深度可分離卷積塊的對比：

對于普通卷積而言，假設(shè)有一個3×3大小的卷積層，其輸入通道為16、輸出通道為32。具體為，32個3×3大小的卷積核會遍歷16個通道中的每個數(shù)據(jù)，最后可得到所需的32個輸出通道，所需參數(shù)為16×32×3×3=4608個。

對于深度可分離卷積結(jié)構(gòu)塊而言，假設(shè)有一個深度可分離卷積結(jié)構(gòu)塊，其輸入通道為16、輸出通道為32，其會用16個3×3大小的卷積核分別遍歷16通道的數(shù)據(jù)，得到了16個特征圖譜。在融合操作之前，接著用32個1×1大小的卷積核遍歷這16個特征圖譜，所需參數(shù)為16×3×3+16×32×1×1=656個。

可以看出來深度可分離卷積結(jié)構(gòu)塊可以減少模型的參數(shù)。

深度可分離卷積的代碼如下：

def _depthwise_conv_block(inputs, pointwise_conv_filters, alpha,
                          depth_multiplier=1, strides=(1, 1), block_id=1):
    pointwise_conv_filters = int(pointwise_conv_filters * alpha)
    x = DepthwiseConv2D((3, 3),
                        padding='same',
                        depth_multiplier=depth_multiplier,
                        strides=strides,
                        use_bias=False,
                        name='conv_dw_%d' % block_id)(inputs)
    x = BatchNormalization(name='conv_dw_%d_bn' % block_id)(x)
    x = Activation(relu6, name='conv_dw_%d_relu' % block_id)(x)
    x = Conv2D(pointwise_conv_filters, (1, 1),
               padding='same',
               use_bias=False,
               strides=(1, 1),
               name='conv_pw_%d' % block_id)(x)
    x = BatchNormalization(name='conv_pw_%d_bn' % block_id)(x)
    return Activation(relu6, name='conv_pw_%d_relu' % block_id)(x)

通俗地理解深度可分離卷積結(jié)構(gòu)塊，就是3x3的卷積核厚度只有一層，然后在輸入張量上一層一層地滑動，每一次卷積完生成一個輸出通道，當(dāng)卷積完成后，在利用1x1的卷積調(diào)整厚度。

如下就是MobileNet的結(jié)構(gòu)，其中Conv dw就是深度可分離卷積，在其之后都會接一個1x1的卷積進行通道處理，

在利用特征提取部分完成輸入圖片的特征提取后，我們會利用全局平均池化將特征層調(diào)整成一個特征長條，我們可以將特征長條進行全連接，獲得最終的分類結(jié)果。

實現(xiàn)代碼如下：

import warnings
from keras.models import Model
from keras.layers import DepthwiseConv2D,Input,Activation,Dropout,Reshape,BatchNormalization,GlobalAveragePooling2D,GlobalMaxPooling2D,Conv2D
from keras import backend as K
def _conv_block(inputs, filters, alpha, kernel=(3, 3), strides=(1, 1)):
    filters = int(filters * alpha)
    x = Conv2D(filters, kernel,
                      padding='same',
                      use_bias=False,
                      strides=strides,
                      name='conv1')(inputs)
    x = BatchNormalization(name='conv1_bn')(x)
    return Activation(relu6, name='conv1_relu')(x)
def _depthwise_conv_block(inputs, pointwise_conv_filters, alpha,
                          depth_multiplier=1, strides=(1, 1), block_id=1):
    pointwise_conv_filters = int(pointwise_conv_filters * alpha)
    x = DepthwiseConv2D((3, 3),
                        padding='same',
                        depth_multiplier=depth_multiplier,
                        strides=strides,
                        use_bias=False,
                        name='conv_dw_%d' % block_id)(inputs)
    x = BatchNormalization(name='conv_dw_%d_bn' % block_id)(x)
    x = Activation(relu6, name='conv_dw_%d_relu' % block_id)(x)
    x = Conv2D(pointwise_conv_filters, (1, 1),
               padding='same',
               use_bias=False,
               strides=(1, 1),
               name='conv_pw_%d' % block_id)(x)
    x = BatchNormalization(name='conv_pw_%d_bn' % block_id)(x)
    return Activation(relu6, name='conv_pw_%d_relu' % block_id)(x)
def MobileNet(input_shape=None,
              alpha=1.0,
              depth_multiplier=1,
              dropout=1e-3,
              classes=1000):
    img_input = Input(shape=input_shape)
    # 224,224,3 -> 112,112,32  
    x = _conv_block(img_input, 32, alpha, strides=(2, 2))
    # 112,112,32 -> 112,112,64
    x = _depthwise_conv_block(x, 64, alpha, depth_multiplier, block_id=1)
    # 112,112,64 -> 56,56,128
    x = _depthwise_conv_block(x, 128, alpha, depth_multiplier,
                              strides=(2, 2), block_id=2)
    x = _depthwise_conv_block(x, 128, alpha, depth_multiplier, block_id=3)
    # 56,56,128 -> 28,28,256
    x = _depthwise_conv_block(x, 256, alpha, depth_multiplier,
                              strides=(2, 2), block_id=4)
    x = _depthwise_conv_block(x, 256, alpha, depth_multiplier, block_id=5)
    # 28,28,256 -> 14,14,512
    x = _depthwise_conv_block(x, 512, alpha, depth_multiplier,
                              strides=(2, 2), block_id=6)
    x = _depthwise_conv_block(x, 512, alpha, depth_multiplier, block_id=7)
    x = _depthwise_conv_block(x, 512, alpha, depth_multiplier, block_id=8)
    x = _depthwise_conv_block(x, 512, alpha, depth_multiplier, block_id=9)
    x = _depthwise_conv_block(x, 512, alpha, depth_multiplier, block_id=10)
    x = _depthwise_conv_block(x, 512, alpha, depth_multiplier, block_id=11)
    # 14,14,512 -> 7,7,1024
    x = _depthwise_conv_block(x, 1024, alpha, depth_multiplier,
                              strides=(2, 2), block_id=12)
    x = _depthwise_conv_block(x, 1024, alpha, depth_multiplier, block_id=13)
    # 7,7,1024 -> 1,1,1024
    x = GlobalAveragePooling2D()(x)
    shape = (1, 1, int(1024 * alpha))
    x = Reshape(shape, name='reshape_1')(x)
    x = Dropout(dropout, name='dropout')(x)
    x = Conv2D(classes, (1, 1),padding='same', name='conv_preds')(x)
    x = Activation('softmax', name='act_softmax')(x)
    x = Reshape((classes,), name='reshape_2')(x)
    inputs = img_input
    model = Model(inputs, x, name='mobilenet_%0.2f' % (alpha))
    return model
def relu6(x):
    return K.relu(x, max_value=6)
if __name__ == '__main__':
    model = MobileNet(input_shape=(224, 224, 3))
    model.summary()

3、ResNet50網(wǎng)絡(luò)介紹

a、什么是殘差網(wǎng)絡(luò)

Residual net(殘差網(wǎng)絡(luò))：

將靠前若干層的某一層數(shù)據(jù)輸出直接跳過多層引入到后面數(shù)據(jù)層的輸入部分。

意味著后面的特征層的內(nèi)容會有一部分由其前面的某一層線性貢獻。

其結(jié)構(gòu)如下：

深度殘差網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是為了克服由于網(wǎng)絡(luò)深度加深而產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效率變低與準確率無法有效提升的問題。

b、什么是ResNet50模型

ResNet50有兩個基本的塊，分別名為Conv Block和Identity Block，其中Conv Block輸入和輸出的維度是不一樣的，所以不能連續(xù)串聯(lián)，它的作用是改變網(wǎng)絡(luò)的維度；Identity Block輸入維度和輸出維度相同，可以串聯(lián)，用于加深網(wǎng)絡(luò)的。

Conv Block的結(jié)構(gòu)如下，由圖可以看出，Conv Block可以分為兩個部分，左邊部分為主干部分，存在兩次卷積、標(biāo)準化、激活函數(shù)和一次卷積、標(biāo)準化；

右邊部分為殘差邊部分，存在一次卷積、標(biāo)準化，由于殘差邊部分存在卷積，所以我們可以利用Conv Block改變輸出特征層的寬高和通道數(shù)：

實現(xiàn)代碼如下：

def conv_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block, strides=(2, 2)):
    filters1, filters2, filters3 = filters
    conv_name_base = 'res' + str(stage) + block + '_branch'
    bn_name_base = 'bn' + str(stage) + block + '_branch'
    # 降維
    x = Conv2D(filters1, (1, 1), strides=strides,
               name=conv_name_base + '2a')(input_tensor)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2a')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 3x3卷積
    x = Conv2D(filters2, kernel_size, padding='same',
               name=conv_name_base + '2b')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2b')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 升維
    x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=conv_name_base + '2c')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2c')(x)
    # 殘差邊
    shortcut = Conv2D(filters3, (1, 1), strides=strides,
                      name=conv_name_base + '1')(input_tensor)
    shortcut = BatchNormalization(name=bn_name_base + '1')(shortcut)
    x = layers.add([x, shortcut])
    x = Activation('relu')(x)
    return x

Identity Block的結(jié)構(gòu)如下，由圖可以看出，Identity Block可以分為兩個部分，左邊部分為主干部分，存在兩次卷積、標(biāo)準化、激活函數(shù)和一次卷積、標(biāo)準化；右邊部分為殘差邊部分，直接與輸出相接，由于殘差邊部分不存在卷積，所以Identity Block的輸入特征層和輸出特征層的shape是相同的，可用于加深網(wǎng)絡(luò)：

實現(xiàn)代碼如下：

def identity_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block):
    filters1, filters2, filters3 = filters
    conv_name_base = 'res' + str(stage) + block + '_branch'
    bn_name_base = 'bn' + str(stage) + block + '_branch'
    # 降維
    x = Conv2D(filters1, (1, 1), name=conv_name_base + '2a')(input_tensor)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2a')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 3x3卷積
    x = Conv2D(filters2, kernel_size,padding='same', name=conv_name_base + '2b')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2b')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 升維
    x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=conv_name_base + '2c')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2c')(x)
    x = layers.add([x, input_tensor])
    x = Activation('relu')(x)
    return x

Conv Block和Identity Block都是殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

總的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

實現(xiàn)代碼如下：

from __future__ import print_function
import numpy as np
from keras import layers
from keras.layers import Input
from keras.layers import Dense,Conv2D,MaxPooling2D,ZeroPadding2D,AveragePooling2D
from keras.layers import Activation,BatchNormalization,Flatten
from keras.models import Model
def identity_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block):
    filters1, filters2, filters3 = filters
    conv_name_base = 'res' + str(stage) + block + '_branch'
    bn_name_base = 'bn' + str(stage) + block + '_branch'
    # 降維
    x = Conv2D(filters1, (1, 1), name=conv_name_base + '2a')(input_tensor)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2a')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 3x3卷積
    x = Conv2D(filters2, kernel_size,padding='same', name=conv_name_base + '2b')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2b')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 升維
    x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=conv_name_base + '2c')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2c')(x)
    x = layers.add([x, input_tensor])
    x = Activation('relu')(x)
    return x
def conv_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block, strides=(2, 2)):
    filters1, filters2, filters3 = filters
    conv_name_base = 'res' + str(stage) + block + '_branch'
    bn_name_base = 'bn' + str(stage) + block + '_branch'
    # 降維
    x = Conv2D(filters1, (1, 1), strides=strides,
               name=conv_name_base + '2a')(input_tensor)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2a')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 3x3卷積
    x = Conv2D(filters2, kernel_size, padding='same',
               name=conv_name_base + '2b')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2b')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    # 升維
    x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=conv_name_base + '2c')(x)
    x = BatchNormalization(name=bn_name_base + '2c')(x)
    # 殘差邊
    shortcut = Conv2D(filters3, (1, 1), strides=strides,
                      name=conv_name_base + '1')(input_tensor)
    shortcut = BatchNormalization(name=bn_name_base + '1')(shortcut)
    x = layers.add([x, shortcut])
    x = Activation('relu')(x)
    return x
def ResNet50(input_shape=[224,224,3], classes=1000):
    # 224,224,3
    img_input = Input(shape=input_shape)
    x = ZeroPadding2D((3, 3))(img_input)
    # [112,112,64]
    x = Conv2D(64, (7, 7), strides=(2, 2), name='conv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='bn_conv1')(x)
    x = Activation('relu')(x)
    x = ZeroPadding2D((1, 1))(x)
    # [56,56,64]
    x = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2))(x)
    # [56,56,256]
    x = conv_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='a', strides=(1, 1))
    x = identity_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [64, 64, 256], stage=2, block='c')
    # [28,28,512]
    x = conv_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='a')
    x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='c')
    x = identity_block(x, 3, [128, 128, 512], stage=3, block='d')
    # [14,14,1024]
    x = conv_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='a')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='c')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='d')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='e')
    x = identity_block(x, 3, [256, 256, 1024], stage=4, block='f')
    # [7,7,2048]
    x = conv_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='a')
    x = identity_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='b')
    x = identity_block(x, 3, [512, 512, 2048], stage=5, block='c')
    # 代替全連接層
    x = AveragePooling2D((7, 7), name='avg_pool')(x)
    # 進行預(yù)測
    x = Flatten()(x)
    x = Dense(classes, activation='softmax', name='fc1000')(x)
    model = Model(img_input, x, name='resnet50')
    return model
if __name__ == '__main__':
    model = ResNet50()
    model.summary()