CV预测：快速使用ResNet深度残差神经网络并创建自己的训练集

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AI预测相关目录

AI预测流程，包括ETL、算法策略、算法模型、模型评估、可视化等相关内容
最好有基础的python算法预测经验

  1. EEMD策略及踩坑
  2. VMD-CNN-LSTM时序预测
  3. 对双向LSTM等模型添加自注意力机制
  4. K折叠交叉验证
  5. optuna超参数优化框架
  6. 多任务学习-模型融合策略
  7. Transformer模型及Paddle实现
  8. 迁移学习在预测任务上的tensoflow2.0实现
  9. holt提取时序序列特征
  10. TCN时序预测及tf实现
  11. 注意力机制/多头注意力机制及其tensorflow实现
  12. 一文解析AI预测数据工程
  13. FITS：一个轻量级而又功能强大的时间序列分析模型
  14. DLinear：未来预测聚合历史信息的最简单网络
  15. LightGBM：更好更快地用于工业实践集成学习算法
  16. 面向多特征的AI预测指南
  17. 大模型时序预测初步调研【20240506】
  18. Time-LLM ：超越了现有时间序列预测模型的学习器
  19. CV预测：快速使用LeNet-5卷积神经网络
  20. CV预测：快速使用ResNet深度残差神经网络并创建自己的训练集

文章目录

研究背景

网络的层数越深，理想情况下，网络模型的学习效果越好。但是实际中，单纯地增加网络的深度，网络会变得越来越难训练，而且精度会达到饱和。这主要是由于两种问题造成的:

  • (1)梯度弥散/爆炸现象
  • (2)退化问题

梯度弥散：又称为梯度消失。在深度神经网络中，如果梯度在反向传播过程中变得非常小，那么权重更新将非常缓慢，导致模型训练非常缓慢或无法收敛。这通常发生在使用Sigmoid或Tanh激活函数的深层网络中。
梯度爆炸：与梯度消失相反，梯度爆炸发生在梯度变得非常大，导致权重更新过大，模型变得不稳定，甚至导致训练过程崩溃。
此外，当模型在训练过程中逐渐失去对某些特征的敏感性，而过度依赖其他特征时，可能会发生特征退化。

解决这些退化现象的方法包括但不限于：使用正则化技术（如L1、L2正则化）、使用不同的激活函数、调整学习率、使用更复杂的优化算法、数据增强、早停法等。
但都治标不治本。
直到深度残差网络思想的出现，它直接改进网络架构。

算法设计

残差学习的基本思想是，如果一个较浅的网络已经能够学习到某些特征，那么在增加网络深度时，可以通过添加恒等映射（即直接将输入复制到输出）来保持这些特征，而不是强迫网络学习恒等函数。这样，即使网络非常深，也能保证网络性能不会下降。
ResNet由多个残差块（Residual Blocks）组成，每个残差块包含两个卷积层，以及一个跳过连接（Skip Connection），它将块的输入直接添加到块的输出。这种设计允许梯度在网络中直接流动，从而缓解了梯度消失问题。
具体如下所示：
在这里插入图片描述
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当然，残差块中的卷积层数量、大小可以进行定制，这在学术上叫做“瓶颈结构”，可灵活升降维处理特征；残差可直接加到输出结果中，也可以进行采样，这在学术上叫做“尺寸匹配”，以上种种。但实际的应用开发中，我们其实并不需要关心这些细节设计，了解其架构总体思想即可。
因为其思想下的优秀设计已经有了开源的现成品可以直接使用。
经典设计：
在这里插入图片描述

实际应用

数据集构建及训练代码：

数据集长成这样：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
代码：

import tensorflow as tf
import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'
import numpy as np
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers, optimizers, datasets, Sequential, metrics,models  # 导入TF子库
from resnet import resnet18


#数据准备
train_dir = r'C:\Users\12258\Desktop\maoniushibie1221\data\train'


#数据处理
def get_files(file_dir):
	# 存放图片类别和标签的列表：第0类
	list_0 = []
	label_0 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第1类
	list_1 = []
	label_1 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第2类
	list_2 = []
	label_2 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第3类
	list_3 = []
	label_3 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第4类
	list_4 = []
	label_4 = []
	list_5 = []
	label_5 = []
	list_6 = []
	label_6 = []


	for file in os.listdir(file_dir):
		# print(file)
		#拼接出图片文件路径
		image_file_path = os.path.join(file_dir,file)
		for image_name in os.listdir(image_file_path):
			# print('image_name',image_name)
			#图片的完整路径
			image_name_path = os.path.join(image_file_path,image_name)
			# print('image_name_path',image_name_path)
			#将图片存放入对应的列表
			if image_file_path[-1:] == '1':
				list_0.append(image_name_path)
				label_0.append(0)
			elif image_file_path[-1:] == '2': 
				list_1.append(image_name_path)
				label_1.append(1)
			elif image_file_path[-1:] == '3':
				list_2.append(image_name_path)
				label_2.append(2)
			elif image_file_path[-1:] == '4':
				list_3.append(image_name_path)
				label_3.append(3)
			elif image_file_path[-1:] == '5':
				list_3.append(image_name_path)
				label_3.append(4)
			elif image_file_path[-1:] == '6':
				list_3.append(image_name_path)
				label_3.append(5)
			else :
				list_4.append(image_name_path)
				label_4.append(6)
            

	# 合并数据
	image_list = np.hstack((list_0, list_1, list_2, list_3, list_4,list_5,list_6))
	label_list = np.hstack((label_0, label_1, label_2, label_3, label_4,label_5,label_6))
	#利用shuffle打乱数据
	temp = np.array([image_list, label_list])
	temp = temp.transpose()  # 转置
	np.random.shuffle(temp)
	
	#将所有的image和label转换成list
	image_list = list(temp[:, 0])
	image_list = [i for i in image_list]
	label_list = list(temp[:, 1])
	label_list = [int(float(i)) for i in label_list]
	# print(image_list)
	# print(label_list)
	return image_list, label_list

def get_tensor(image_list, label_list):
	ims = []
	for image in image_list:
		#读取路径下的图片
		x = tf.io.read_file(image)
		#将路径映射为照片,3通道
		x = tf.image.decode_jpeg(x,channels=3)
		#修改图像大小
		x = tf.image.resize(x,[56,56])
		#将图像压入列表中
		ims.append(x)
	#将列表转换成tensor类型
	img = tf.convert_to_tensor(ims)
	y = tf.convert_to_tensor(label_list)
	return img,y


def preprocess(x,y):
	#归一化
	x = tf.cast(x,dtype=tf.float32) / 255.0
	y = tf.cast(y, dtype=tf.int32)
	return x,y
#训练图片与标签
image_list, label_list = get_files(train_dir)

x_train, y_train = get_tensor(image_list, label_list)

#载入训练数据集
db_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
# # shuffle:打乱数据,map:数据预处理，batch:一次取喂入10样本训练
db_train = db_train.shuffle(1000).map(preprocess).batch(10)


# 模型搭建
model = resnet18()
model.build(input_shape=(None, 56, 56, 3))
model.summary()
# 模型装配
model.compile(optimizer=optimizers.SGD(lr=0.03),  # 指定Adam优化器，学习率为0.01
              loss=tf.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),  # 指定采用交叉熵损失函数，包含Softmax
              metrics=['accuracy'])  # 指定评价指标为准备率
# 模型训练
# 输入训练集train_dataset,训练8个epochs; 每训练完2个epochs,对验证集val_dataset验证一次
model.fit(db_train, epochs=8)
model.save_weights('model_weight')

预测代码：

import tensorflow as tf
import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'
import numpy as np
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers, optimizers, datasets, Sequential, metrics,models  # 导入TF子库
from resnet import resnet18


#数据准备
train_dir = r'C:\Users\12258\Desktop\maoniushibie1221\data\train'


#数据处理
def get_files(file_dir):
	# 存放图片类别和标签的列表：第0类
	list_0 = []
	label_0 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第1类
	list_1 = []
	label_1 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第2类
	list_2 = []
	label_2 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第3类
	list_3 = []
	label_3 = []
	# 存放图片类别和标签的列表：第4类
	list_4 = []
	label_4 = []
	list_5 = []
	label_5 = []
	list_6 = []
	label_6 = []


	for file in os.listdir(file_dir):
		# print(file)
		#拼接出图片文件路径
		image_file_path = os.path.join(file_dir,file)
		for image_name in os.listdir(image_file_path):
			# print('image_name',image_name)
			#图片的完整路径
			image_name_path = os.path.join(image_file_path,image_name)
			# print('image_name_path',image_name_path)
			#将图片存放入对应的列表
			if image_file_path[-1:] == '1':
				list_0.append(image_name_path)
				label_0.append(0)
			elif image_file_path[-1:] == '2': 
				list_1.append(image_name_path)
				label_1.append(1)
			elif image_file_path[-1:] == '3':
				list_2.append(image_name_path)
				label_2.append(2)
			elif image_file_path[-1:] == '4':
				list_3.append(image_name_path)
				label_3.append(3)
			elif image_file_path[-1:] == '5':
				list_3.append(image_name_path)
				label_3.append(4)
			elif image_file_path[-1:] == '6':
				list_3.append(image_name_path)
				label_3.append(5)
			else :
				list_4.append(image_name_path)
				label_4.append(6)
            

	# 合并数据
	image_list = np.hstack((list_0, list_1, list_2, list_3, list_4,list_5,list_6))
	label_list = np.hstack((label_0, label_1, label_2, label_3, label_4,label_5,label_6))
	#利用shuffle打乱数据
	temp = np.array([image_list, label_list])
	temp = temp.transpose()  # 转置
	np.random.shuffle(temp)
	
	#将所有的image和label转换成list
	image_list = list(temp[:, 0])
	image_list = [i for i in image_list]
	label_list = list(temp[:, 1])
	label_list = [int(float(i)) for i in label_list]
	# print(image_list)
	# print(label_list)
	return image_list, label_list

def get_tensor(image_list, label_list):
	ims = []
	for image in image_list:
		#读取路径下的图片
		x = tf.io.read_file(image)
		#将路径映射为照片,3通道
		x = tf.image.decode_jpeg(x,channels=3)
		#修改图像大小
		x = tf.image.resize(x,[56,56])
		#将图像压入列表中
		ims.append(x)
	#将列表转换成tensor类型
	img = tf.convert_to_tensor(ims)
	y = tf.convert_to_tensor(label_list)
	return img,y


def preprocess(x,y):
	#归一化
	x = tf.cast(x,dtype=tf.float32) / 255.0
	y = tf.cast(y, dtype=tf.int32)
	return x,y
#训练图片与标签
image_list, label_list = get_files(train_dir)

x_train, y_train = get_tensor(image_list, label_list)

#载入训练数据集
db_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
# # shuffle:打乱数据,map:数据预处理，batch:一次取喂入10样本训练
db_train = db_train.shuffle(1000).map(preprocess).batch(10)


# 模型搭建
model = resnet18()
model.build(input_shape=(None, 56, 56, 3))
model.summary()
# 模型装配
model.compile(optimizer=optimizers.SGD(lr=0.03),  # 指定Adam优化器，学习率为0.01
              loss=tf.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),  # 指定采用交叉熵损失函数，包含Softmax
              metrics=['accuracy'])  # 指定评价指标为准备率
# 模型训练
# 输入训练集train_dataset,训练8个epochs; 每训练完2个epochs,对验证集val_dataset验证一次
model.fit(db_train, epochs=8)
model.save_weights('model_weight')

Resnet源码

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers, Sequential

class BasicBlock(layers.Layer):

    def __init__(self, filter_num, stride=1):
        super(BasicBlock, self).__init__()

        self.conv1 = layers.Conv2D(filter_num, (3, 3), strides=stride, padding='same')
        self.bn1 = layers.BatchNormalization()  # BN层
        self.relu = layers.Activation('relu')  # ReLU激活函数

        self.conv2 = layers.Conv2D(filter_num, (3, 3), strides=1, padding='same')
        self.bn2 = layers.BatchNormalization()  # BN层

        if stride != 1:
            self.downsample = Sequential()  # 下采样
            self.downsample.add(layers.Conv2D(filter_num, (1, 1), strides=stride))
        else:
            self.downsample = lambda x:x  # 恒等映射

    def call(self, inputs, training=None):
        out = self.conv1(inputs)
        out = self.bn1(out,training=training)
        out = self.relu(out)

        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out,training=training)

        identity = self.downsample(inputs)  # 恒等映射

        output = layers.add([out, identity])  # 主路与支路（恒等映射）相加
        output = tf.nn.relu(output)  # ReLU激活函数

        return output

class ResNet(keras.Model):
    def __init__(self, layer_dims, num_classes=100):
        super(ResNet, self).__init__()
        # 第一层
        self.stem = Sequential([layers.Conv2D(64, (3, 3), strides=(1, 1)),
                                layers.BatchNormalization(),
                                layers.Activation('relu'),
                                layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), strides=(1, 1), padding='same')
                                ])
        # 中间层的四个残差块：conv2_x，conv3_x，conv4_x，conv5_x
        self.layer1 = self.build_resblock(64,  layer_dims[0])
        self.layer2 = self.build_resblock(128, layer_dims[1], stride=2)
        self.layer3 = self.build_resblock(256, layer_dims[2], stride=2)
        self.layer4 = self.build_resblock(512, layer_dims[3], stride=2)
        # 全局平均池化
        self.avgpool = layers.GlobalAveragePooling2D()
        # 全连接层
        self.fc = layers.Dense(num_classes)

    def call(self, inputs, training=None):
        x = self.stem(inputs,training=training)
        x = self.layer1(x,training=training)
        x = self.layer2(x,training=training)
        x = self.layer3(x,training=training)
        x = self.layer4(x,training=training)
        x = self.avgpool(x)
        x = self.fc(x)
        return x

    # 构建残差块（将几个相同的残差模块堆叠在一起）
    def build_resblock(self, filter_num, blocks, stride=1):
        res_blocks = Sequential()
        # 可能会进行下采样
        res_blocks.add(BasicBlock(filter_num, stride))
        for _ in range(1, blocks):
            res_blocks.add(BasicBlock(filter_num, stride=1))
        return res_blocks

def resnet18():
    return ResNet([2, 2, 2, 2])

def resnet34():
    return ResNet([3, 4, 6, 3])
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