AI從入門到放棄：用MLP做圖像分類識別

▌一、前言

閱讀本文的基礎(chǔ)：我會認(rèn)為你對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有充分的了解，熟讀過我上一篇文章，本文會大量引用上一篇文章的知識以及代碼。上一篇筆記的傳送門：《AI從入門到放棄：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法推導(dǎo)及代碼實(shí)現(xiàn)筆記》

▌二、用MLP做圖像分類識別？

在沒有CNN以及更先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時代，樸素的想法是用多層感知機(jī)（MLP）做圖片分類的識別，沒毛病。作為上篇筆記學(xué)習(xí)的延續(xù)，以及下一篇CNN的藥引，使用MLP來做圖片分類識別，實(shí)在是個不錯的過度例子。通過這個例子，從思路上引出一系列的問題，我不賣關(guān)子，自問自答吧，即：MLP能做圖片分類識別嗎？--> 答案是是可以的，上一篇我們是擬合非線性分類函數(shù)，這里是擬合圖像特征，數(shù)學(xué)本質(zhì)沒區(qū)別。

MLP做這個事情效果如何？--> 個人認(rèn)知內(nèi)，只能說一般一般。MLP在這一領(lǐng)域效果一般，是有什么缺陷嗎？ --> 缺陷是有的，下文會詳細(xì)說。有更好的解決方案嗎？ --> 那也是必須有的，地球人火星人喵星人都知道有CNN等等更先進(jìn)的東東；但是在沒有這些東西存在的時代，你發(fā)明出來了，那才真是666。

▌三、先上車

1. 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源當(dāng)然是圖片，但是是經(jīng)過數(shù)據(jù)化處理的圖片，使用的是h5文件。h5文件簡單說就是把數(shù)據(jù)按索引固化起來，挺簡單的不多說，度度一下：

h5py入門講解：

https://blog.csdn.net/csdn15698845876/article/details/73278120

我們有3個h5文件，存著不重復(fù)的圖片數(shù)據(jù)，分別是：

train_catvnoncat.h5 (用來訓(xùn)練模型用的，一共有209張，其中有貓也有不是貓的圖片，尺寸64*64像素)

test_catvnoncat.h5 （用來測試模型準(zhǔn)確度的，一共有50張圖片，，其中有貓也有不是貓的圖片，尺寸64*64像素）

my_cat_misu.h5 （用來玩的，我家貓主子的1張照騙，尺寸64*64像素）

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

拿train_catvnoncat.h5舉例，這個文件有2個索引：

train_set_x：這是一個數(shù)組，因?yàn)槭?09張圖片，所以數(shù)組長度是209。數(shù)組中的元素是一個 64*64*3 的矩陣。64*64是圖片像素尺寸，3是什么鬼？別忘了這是彩色圖片，3就是代表RGB這3個顏色通道的值。

train_set_y：圖片標(biāo)簽數(shù)組，長度也是209，是209張圖片的標(biāo)簽（label），對應(yīng)數(shù)組下標(biāo)的值是1時，代表這張圖片是喵星人，0則代表不是。

同理，test_catvnoncat.h5 中有 test_set_x 和 test_set_y；my_cat_misu.h5 中有 mycat_set_x 和 mycat_set_y

3. 告訴你怎么制作圖片的h5文件，以后做cnn等模型訓(xùn)練時，非常有用

以我主子為例子：

原圖：

自己處理成64*64的圖片，當(dāng)然你也可以寫代碼做圖片處理，我懶，交給你實(shí)現(xiàn)了：

python代碼，用到h5py庫：

defsave_imgs_to_h5file(h5_fname,x_label,y_label,img_paths_list,img_label_list):#構(gòu)造n張圖片的隨機(jī)矩陣data_imgs=np.random.rand(len(img_paths_list),64,64,3).astype('int')label_imgs=np.random.rand(len(img_paths_list),1).astype('int')#plt.imread可以把圖片以多維數(shù)組形式讀出來，然后我們存成n*n*3的矩陣foriinrange(len(img_paths_list)):data_imgs[i]=np.array(plt.imread(img_paths_list[i]))label_imgs[i]=np.array(img_label_list[i])#創(chuàng)建h5文件，按照指定的索引label存到文件中，完事了f=h5py.File(h5_fname,'w')f.create_dataset(x_label,data=data_imgs)f.create_dataset(y_label,data=label_imgs)f.close()returndata_imgs,label_imgs#用法#圖片label為1代表這是一張喵星人的圖片，0代表不是save_imgs_to_h5file('datasets/my_cat_misu.h5','mycat_set_x','mycat_set_y',['misu.jpg'],[1])

4. 看看我的數(shù)據(jù)源的樣子

用來訓(xùn)練的圖片集合，209張：

用來校驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確度的圖片集合， 50張

用來玩的，主子照騙，1張：

▌四. 開車了

1. 如何設(shè)計(jì)模型：

輸入層：我們的圖片是64*64的像素尺寸，那么算上RGB三個通道的數(shù)據(jù)，我們把三維矩陣?yán)擅鏃l 64*64*3 = 12288。 也就是我們輸入層的數(shù)據(jù)長度是12288。

隱藏層：使用多層隱藏層，可以自行多嘗試一下不同的結(jié)構(gòu)。這里我使用3個隱藏層，隱藏層神經(jīng)元個數(shù)分別是20，7，5

輸出層：我們的目標(biāo)就是判斷某張圖片是否是貓而已，所以輸出層1個神經(jīng)元，輸出概率大于0.5認(rèn)為是貓，小于等于0.5認(rèn)為不是。

【插播】：有人會想，第一層隱藏層的神經(jīng)元和輸入層數(shù)量一致是不是會好點(diǎn)？理論上是會好點(diǎn)，但是這涉及到MLP的一個缺陷，因?yàn)槿B接情況下，這樣做，第一層的權(quán)重w參數(shù)就有1228的平方個，約為1.5個億。如果圖片更大呢？參數(shù)會成指數(shù)級膨脹，后果盡情想象。

2. 如何訓(xùn)練模型

還用說，把209張圖片的數(shù)據(jù)扔到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成一次迭代，然后訓(xùn)練1萬次，可自行嘗試迭不同代次數(shù)觀察效果。

3. 如何衡量模型的準(zhǔn)確度

大神吳恩達(dá)（Andrew Ng）提到的方法之一，就是劃分不同集合，一部分用來訓(xùn)練，一部分用來驗(yàn)證模型效果，這樣可以達(dá)到衡量你所訓(xùn)練的模型的效果如何。所以我們訓(xùn)練使用209張圖片，最終使用50張測試模型效果。

為了好玩，可以自己用不同圖片通過模型去做分類識別。

▌五. 老規(guī)矩，甩代碼

還是說明一下代碼流程吧：

代碼使用到的 NeuralNetwork 是我上一篇筆記的代碼，實(shí)現(xiàn)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，import進(jìn)來直接用即可。

代碼做的事情就是：

從h5文件加載圖片數(shù)據(jù)

把原始圖片顯示出來，同時也保存成圖片文件

訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

驗(yàn)證模型準(zhǔn)確度

把識別結(jié)果標(biāo)注到原始圖片上，同時也保存成圖片文件

▌六.結(jié)論

1. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出結(jié)果，標(biāo)注到了圖片上并展示出來，規(guī)則是：

結(jié)果展示說明：

【識別正確】：原圖是貓，識別為貓 --> 原圖顯示原圖不是貓，識別為不是貓 --> 降低顯示亮度【識別錯誤】：原圖是貓，但是識別為不是貓 --> 標(biāo)紅顯示原圖不是貓， 但是識別成貓 --> 標(biāo)紅顯示

圖片標(biāo)題會顯示Accuracy（準(zhǔn)確度），準(zhǔn)確度的計(jì)算公式是： 識別正確圖片數(shù)/圖片總數(shù)。

2. 模型訓(xùn)練完成后，把訓(xùn)練用的209張圖片用訓(xùn)練好的模型識別一遍，觀察結(jié)果：可以看到，迭代1w次的模型，識別訓(xùn)練圖集，準(zhǔn)確度是 100% 的：

3. 模型訓(xùn)練完成后，使用測試圖集用訓(xùn)練好的模型識別一遍，觀察結(jié)果：可以看到，迭代1w次的模型，識別訓(xùn)練圖集，準(zhǔn)確度只有 78%：

4. 看看模型能不能認(rèn)出我主子是喵星人，看樣子，它是認(rèn)出來了：

▌七.對結(jié)果進(jìn)一步分析，引出一系列問題

拋出一個問題：為什么用測試圖集驗(yàn)證模型，識別率只有78%？在我嘗試過改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)調(diào)參后，仍然無法提高識別率，為什么呢？

不算徹底的解答：

也許是我水平有限，調(diào)參姿勢不對？姿勢帥并不是萬能的，我們應(yīng)該從更深層次的原理進(jìn)行分析。

有人說，你訓(xùn)練數(shù)據(jù)少了，好像有那么些道理。其實(shí)是可以給模型輸入更多圖片的特征是個不錯的辦法，比如旋轉(zhuǎn)一下，圖片內(nèi)容放大縮小，挪挪位置等。但是Andrew Ng也說過，過分追求訓(xùn)練數(shù)據(jù)收集是一條不歸路。

在同等訓(xùn)練數(shù)據(jù)集下，有更好的辦法嗎？由此引出下一個問題。

刨根問底：想要知道為什么MLP識別度難以做到很高，撇開網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，調(diào)參，訓(xùn)練數(shù)據(jù)先不談。我們應(yīng)該從MLP身上找找茬。搞清楚我們目標(biāo)，是提高對圖片進(jìn)行分類識別，那么在使用MLP實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)時，它自身是否有缺陷，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)遇到了困難。那么解決了這些困難，就找到了解決問題的方法。

MLP在做圖片分類識別的缺陷：神經(jīng)元是全連接的方式構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，全連接情況下，假設(shè)圖片是1k*1k像素大小，那么隱藏層個數(shù)和輸入層尺寸一致時，不考慮RGB顏色通道，單通道下，權(quán)重w參數(shù)個數(shù)會是：（沒數(shù)錯0的話）

如果圖片再大點(diǎn)，參數(shù)膨脹到不可想象，直接導(dǎo)致的負(fù)面效果是：

參數(shù)過多，計(jì)算量龐大

全連接情況下，過深的網(wǎng)絡(luò)容易導(dǎo)致梯度消失，模型難以訓(xùn)練

MLP全連接的情況下，無法做到圖片的形變識別。怎么理解這個詞呢，拿手寫數(shù)字舉個例子，比如寫8，每個人書寫習(xí)慣不一樣，有的人寫的很正，但有的人寫歪了點(diǎn)，上半部分小，下半部分大，等等。這時候，MLP的缺點(diǎn)就顯現(xiàn)出來了，同一張圖片，旋轉(zhuǎn)，或者稍微平移形變一下，它無法識別。你可以通過增加更多特征給模型，但這不是本質(zhì)上的解決該問題的方法，而是對訓(xùn)練的優(yōu)化手段。

▌八. 總結(jié)要解決的問題，離下一個坑就不遠(yuǎn)了

上面已經(jīng)列舉了要解決的幾個問題，這里總結(jié)一下：

我們要解決參數(shù)膨脹帶來的計(jì)算量龐大的問題。

優(yōu)化參數(shù)量之后，如何在同等訓(xùn)練數(shù)據(jù)集不變的情況下，如何提取更多特征。

在輸入有一定的旋轉(zhuǎn)平移伸縮時，仍能正確識別。

能解決以上問題的眾所周知，就是CNN以及眾多更先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型了。本文作為一篇引子文章，也是CNN的導(dǎo)火索。代碼在你手中，把第一層隱藏層設(shè)計(jì)成和輸入層一樣大，即 layers_dims = [12288, 12288, 20, 7, 5, 1]。還只是64*64的小圖片而已，那龜速，我和我的小破筆記本都不能忍啊。這也是為什么大神們發(fā)明CNN的原因之一吧！

AI從入門到放棄，這也只是滄海一粟，你怕了嗎？