【从传统方法到深度学习】图像分类
2017-06-17 15:52
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1. 问题
Kaggle上有一个图像分类比赛Digit Recognizer,数据集是大名鼎鼎的MNIST——图片是已分割 (image segmented)过的28*28的灰度图,手写数字部分对应的是0~255的灰度值,背景部分为0。from keras.datasets import mnist (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data() x_train[0] # .shape = 28*28 """ [[ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0] ... [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 18 18 18 126 136 175 26 166 255 247 127 0 0 0 0] [ 0 0 0 0 0 0 0 0 30 36 94 154 170 253 253 253 253 253 225 172 253 242 195 64 0 0 0 0] ... [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]] """
手写数字图片是长这样的:
import matplotlib.pyplot as plt plt.subplot(1, 3, 1) plt.imshow(x_train[0], cmap='gray') plt.subplot(1, 3, 2) plt.imshow(x_train[1], cmap='gray') plt.subplot(1, 3, 3) plt.imshow(x_train[2], cmap='gray') plt.show()
手写数字识别可以看做是一个图像分类问题——对二维向量的灰度图进行分类。
2. 识别
Rodrigo Benenson给出50种方法在MNIST的错误率。本文将从传统方法过渡到深度学习,对比准确率来看。以下代码基于Python 3.6 + sklearn 0.18.1 + keras 2.0.4。传统方法
kNN思路比较简单:将二维向量拉直成一个一维向量,基于距离度量以判断向量间的相似性。显而易见,这种不带特征提取的朴素办法,丢掉了二维向量中最重要的四周相邻像素的信息。在比较干净的数据集MNIST还有不错的表现,准确率为96.927%。此外,kNN模型训练慢。
from sklearn import neighbors from sklearn.metrics import precision_score num_pixels = x_train[0].shape[0] * x_train[0].shape[1] x_train = x_train.reshape((x_train.shape[0], num_pixels)) x_test = x_test.reshape((x_test.shape[0], num_pixels)) knn = neighbors.KNeighborsClassifier() knn.fit(x_train, y_train) pred = knn.predict(x_test) precision_score(y_test, pred, average='macro') # 0.96927533865705706
MLP
多层感知器MLP (Multi Layer Perceptron)亦即三层的前馈神经网络,所采用的特征与kNN方法类似——每一个像素点的灰度值对应于输入层的一个神经元,隐藏层的神经元数为700(一般介于输入层与输出层的数量之间),迭代次数epochs设为100。sklearn的MLPClassifier实现MLP分类,下面给出基于keras的MLP实现。没怎么细致地调参,准确率大概在98.530%左右。
from keras.layers import Dense from keras.models import Sequential from keras.utils import np_utils # normalization num_pixels = 28 * 28 x_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], num_pixels).astype('float32') / 255 x_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], num_pixels).astype('float32') / 255 # one-hot enconder for class y_train = np_utils.to_categorical(y_train) y_test = np_utils.to_categorical(y_test) num_classes = y_train.shape[1] model = Sequential([ Dense(700, input_dim=num_pixels, activation='relu', kernel_initializer='normal'), # hidden layer Dense(num_classes, activation='softmax', kernel_initializer='normal') # output layer ]) model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy']) model.summary() model.fit(x_train, y_train, validation_data=(x_test, y_test), epochs=600, batch_size=200, verbose=2) model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0) # [0.10381294689745164, 0.98529999999999995]
深度学习
LeCun早在1989年发表的论文 [1]中提出了用CNN (Convolutional Neural Networks)来做手写数字识别,后来 [2]又改进到Lenet-5,其网络结构如下图所示:卷积、池化、卷积、池化,然后套2个全连接层,最后接个Guassian连接层。众所周知,CNN自带特征提取功能,不需要刻意地设计特征提取器。基于keras,Lenet-5 非正式实现如下:
import keras from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D from keras.layers import Dense, Dropout, Flatten, Activation from keras.models import Sequential from keras.utils import np_utils img_rows, img_cols = 28, 28 # TensorFlow backend: image_data_format() == 'channels_last' x_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], img_rows, img_cols, 1).astype('float32') / 255 x_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], img_rows, img_cols, 1).astype('float32') / 255 # one-hot code for class y_train = np_utils.to_categorical(y_train) y_test = np_utils.to_categorical(y_test) num_classes = y_train.shape[1] model = Sequential() model.add(Conv2D(filters=6, kernel_size=(5, 5), padding='valid', input_shape=(28, 28, 1))) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) model.add(Activation("sigmoid")) model.add(Conv2D(16, kernel_size=(5, 5), padding='valid')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) model.add(Activation("sigmoid")) model.add(Dropout(0.25)) # full connection model.add(Conv2D(120, kernel_size=(1, 1), padding='valid')) model.add(Flatten()) # full connection model.add(Dense(84, activation='sigmoid')) model.add(Dense(num_classes, activation='softmax')) model.compile(loss=keras.losses.categorical_crossentropy, optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=0.08, momentum=0.9), metrics=['accuracy']) model.summary() model.fit(x_train, y_train, batch_size=32, epochs=8, verbose=1, validation_data=(x_test, y_test)) model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
以上三种方法的准确率如下:
特征 | 分类器 | 准确率 |
---|---|---|
gray | kNN | 96.927% |
gray | 3-layer neural networks | 98.530% |
Lenet-5 | 98.640% |
3. 参考资料
[1] LeCun, Yann, et al. "Backpropagation applied to handwritten zip code recognition." Neural computation 1.4 (1989): 541-551.[2] LeCun, Yann, et al. "Gradient-based learning applied to document recognition." Proceedings of the IEEE 86.11 (1998): 2278-2324.
[3] Taylor B. Arnold, Computer vision: LeNet-5, AlexNet, VGG-19, GoogLeNet.
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