python中如何实现tensorflow实现斑马线识别功能

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一，斑马线的数据集

数据集的构成：

二，代码部分

1.导包

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

2.数据导入

train_dir=r'C:\Users\zx\深度学习\Zebra\train'
test_dir=r'C:\Users\zx\深度学习\Zebra\test'
train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1/255,
                                   rotation_range=10,  #旋转
                                   horizontal_flip=True)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(train_dir,
                                                    (50,50),
                                                    batch_size=1,
                                                    class_mode='binary',
                                                    shuffle=False)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1/255)
test_generator = test_datagen.flow_from_directory(test_dir,
                                                 (50,50),
                                                  batch_size=1,
                                                  class_mode='binary',
                                                  shuffle=False)

3.搭建模型

模型的建立仁者见智，可自己调节寻找更好的模型。

model = tf.keras.models.Sequential([
    # 第一层卷积，卷积核为，共16个，输入为150*150*1
    tf.keras.layers.Conv2D(16,(3,3),activation='relu',padding='same',input_shape=(50,50,3)),
    tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 第二层卷积，卷积核为3*3，共32个，
    tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu'),
    tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 第三层卷积，卷积核为3*3，共64个，
    tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu'),
    tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 第四层卷积，卷积核为3*3，共128个
#     tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'),
#     tf.keras.layers.MaxPooling2D((2,2)),
    
    # 数据铺平
    tf.keras.layers.Flatten(),
    tf.keras.layers.Dense(32,activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(16,activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(2,activation='softmax')
])
print(model.summary())
model.compile(optimize='adam',
             loss=tf.keras.losses.sparse_categorical_crossentropy,
              metrics=['acc'])

4，模型训练

history = model.fit(train_generator，
                    epochs=20,
                    verbose=1)
model.save('./Zebra.h6')

模型训练过程：

可以看到我们的模型在20轮的训练后acc从0.63上升到了0.96左右。

5，模型评估

model.evaluate(test_generator)

#可视化
plt.plot(history.history['acc'], label='accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([0.7, 1])
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('acc')
plt.show()

6，模型预测

虽然我们的模型在训练过程中acc一度达到0.96，但测试集才是检验模型的唯一标准，在model.evaluate(test_generator)中的评分只有0.91左右，说明我们的模型已经能以很高的正确率来完成”斑马线“与“非斑马线”的二分类问题了，但我们还是要查看具体是哪些数据没有被模型正确得识别。

pred=model.predict(test_generator) #获取test集的输出
filenames = test_generator.filenames  #获取test数据的文件名

错误输出过程：

• 1，循环测试集长度，通过if语句先判断others还是zebra，再通过one-hot编码判断是否预测正确。

• 2，根据labels可知others': 0, 'zebra crossing': 1，以此来判断是否预测正确。

• 3，对 filenames[0]='others\\103.png'，进行切片处理。

• 4，找到others的‘s'或 zebra crossing的‘g'，使用find()在基础上+2为正切片的起点（样本编号前有'\'符号，故+2才能正确取出编号）。

• 5，如 ：将filenames[i]的值赋给a，a[int(a.find('s')+2):]则表示为 'xx.png'。

• 6，将取出的样本编号与路径拼接，读取后作图。

• 7，break跳出循环。

for i in range(len(filenames)):
    if filenames[i][:6]=='others':
        if np.argmax(pred[i]) != 0:
            a=filenames[i]
            plt.figure()
            print('预测错误的图片：'+a[int(a.find('s')+2):])
            print('错误识别为"zebra crossing",正确类型是"others"')
            print('预测标签为:'+str(np.argmax(pred[i]))+',真实标签为:0')
            img = plt.imread('Zebra/test/others/'+a[int(a.find('s')+2):])
            plt.imshow(img)
            plt.title(a[int(a.find('s')+2):])
            plt.grid(False)
            break
    if filenames[i][:6]=='zebra ':
        if np.argmax(pred[i]) != 1:
            b= filenames[i]
            plt.figure()
            print('预测错误的图片：'+b[int(b.find('g')+2):])
            print('错误识别为"others",正确类型是"zebra crossing"')
            print('预测标签为:'+str(np.argmax(pred[i]))+',真实标签为:1')
            img = plt.imread('Zebra/test/zebra crossing/'+b[int(b.find('g')+2):])
            plt.imshow(img)
            plt.title(b[int(b.find('g')+2):])
            plt.grid(False)
            break

看到这个错误样本，我猜想可能是因为斑马线的部分只占了图像的一半左右，所以预测错误了。

这里是我做预测判断的思路，本可以不这么复杂的可以用test_generator.labels来获取数据的标签，再做判断。

test_generator.labels

上面只输出了第一个错误的样本，所以接下来我们要看所有错误预测的样本

sum=0
for i in range(len(filenames)):
    if filenames[i][:6]=='others':
        if np.argmax(pred[i]) != 0:
            a=filenames[i]
            print('预测错误的图片：'+a[int(a.find('s')+2):]+',错误识别为"zebra crossing",正确类型是"others"')
            sum=sum+1
    if filenames[i][:6]=='zebra ':
        if np.argmax(pred[i]) != 1:
            b= filenames[i]
            print('预测错误的图片：'+b[int(b.find('g')+2):]+',错误识别为"others",正确类型是"zebra crossing"')
            sum=sum+1
print('错误率：'+str(sum/100)+'%')
print('正确率：'+str((10000-sum)/100)+'%')

三，分析

在构建模型时我尝试在最后一层只用一个神经元，用sigmoid激活函数，其他参数不变，在同样epochs=20的条件，也能很快收敛，达到很高的acc，测试集的评分也能在0.9左右，但是在最后输出全部错误样本的时候发现错误的样本远超过softmax，可能其中有些参数我没有根据sigmoid来调整，所以会有如此高的错误率。

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