随着人工智能技术的飞速发展，图像识别在众多领域都有着广泛的应用。动物识别作为图像识别的一个重要分支，对于野生动物保护、宠物管理、生态研究等诸多方面都有着重要的意义。例如，在野生动物保护中，通过自动识别动物种类，可以更高效地进行物种监测和保护工作；在宠物管理方面，能够快速准确地识别宠物种类，有助于宠物走失后的快速找回等。本项目旨在利用深度学习中的卷积神经网络（Xception）来实现动物识别功能，以提高动物识别的准确性和效率，为相关领域提供一种有效的技术解决方案。

数据来源与预处理

数据来源为Kaggle上的动物识别数据集。我们使用了“Animals-10”数据集，该数据集包含十种动物（狗、猫、马、大象、蝴蝶、鸡、牛、羊、蜘蛛、松鼠）的图片，每种动物有大约一两千张图片，图片格式为JPEG。此外，我们还参考了Kaggle上的猫狗识别数据集，该数据集共包含25000张JPEG图片，其中猫和狗的照片各占12500张。

Xception是谷歌公司继Inception后，提出的InceptionV3的一种改进模型，其中Inception模块已被深度可分离卷积（depthwise separable convolution）替换。它与Inception-v1（23M）的参数数量大致相同。

 

1. 深度可分离卷积

深度可分离卷积其实是一种可分解卷积操作（factorized convolutions）。其可以分解为两个更小的操作：depthwise convolution 和

olution。

 （2）深度卷积

(3)逐点卷积

逐点卷积就是1*1卷积，主要作用就是对特征图进行升维和降维，如下图：

 

在深度卷积的过程中，我们得到了883的输出特征图，我们用256个113的卷积核对输入特征图进行卷积操作，输出的特征图和标准的卷积操作一样都是88256了。

标准卷积与深度可分离卷积的过程对比如下：

 

(4)为什么要用深度可分离卷积？

深度可分离卷积可以实现更少的参数，更少的运算量。

  一、构建Xception模型

#====================================#
#     Xception的网络部分
#====================================#
from tensorflow.keras.preprocessing import image

from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras import layers
from tensorflow.keras.layers import Dense,Input,BatchNormalization,Activation,Conv2D,SeparableConv2D,MaxPooling2D
from tensorflow.keras.layers import GlobalAveragePooling2D,GlobalMaxPooling2D
from tensorflow.keras import backend as K
from tensorflow.keras.applications.imagenet_utils import decode_predictions


def Xception(input_shape = [299,299,3],classes=1000):

    img_input = Input(shape=input_shape)
    
    #=================#
    #   Entry flow
    #=================#
    #  block1
    # 299,299,3 -> 149,149,64
    x = Conv2D(32, (3, 3), strides=(2, 2), use_bias=False, name='block1_conv1')(img_input)
    x = BatchNormalization(name='block1_conv1_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block1_conv1_act')(x)
    x = Conv2D(64, (3, 3), use_bias=False, name='block1_conv2')(x)
    x = BatchNormalization(name='block1_conv2_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block1_conv2_act')(x)


    # block2
    # 149,149,64 -> 75,75,128
    residual = Conv2D(128, (1, 1), strides=(2, 2), padding='same', use_bias=False)(x)
    residual = BatchNormalization()(residual)

    x = SeparableConv2D(128, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block2_sepconv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='block2_sepconv1_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block2_sepconv2_act')(x)
    x = SeparableConv2D(128, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block2_sepconv2')(x)
    x = BatchNormalization(name='block2_sepconv2_bn')(x)

    x = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2), padding='same', name='block2_pool')(x)
    x = layers.add([x, residual])

    # block3
    # 75,75,128 -> 38,38,256
    residual = Conv2D(256, (1, 1), strides=(2, 2),padding='same', use_bias=False)(x)
    residual = BatchNormalization()(residual)

    x = Activation('relu', name='block3_sepconv1_act')(x)
    x = SeparableConv2D(256, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block3_sepconv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='block3_sepconv1_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block3_sepconv2_act')(x)
    x = SeparableConv2D(256, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block3_sepconv2')(x)
    x = BatchNormalization(name='block3_sepconv2_bn')(x)

    x = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2), padding='same', name='block3_pool')(x)
    x = layers.add([x, residual])

    # block4
    # 38,38,256 -> 19,19,728
    residual = Conv2D(728, (1, 1), strides=(2, 2),padding='same', use_bias=False)(x)
    residual = BatchNormalization()(residual)

    x = Activation('relu', name='block4_sepconv1_act')(x)
    x = SeparableConv2D(728, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block4_sepconv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='block4_sepconv1_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block4_sepconv2_act')(x)
    x = SeparableConv2D(728, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block4_sepconv2')(x)
    x = BatchNormalization(name='block4_sepconv2_bn')(x)

    x = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2), padding='same', name='block4_pool')(x)
    x = layers.add([x, residual])

    #=================#
    # Middle flow
    #=================#
    # block5--block12
    # 19,19,728 -> 19,19,728
    for i in range(8):
        residual = x
        prefix = 'block' + str(i + 5)

        x = Activation('relu', name=prefix + '_sepconv1_act')(x)
        x = SeparableConv2D(728, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name=prefix + '_sepconv1')(x)
        x = BatchNormalization(name=prefix + '_sepconv1_bn')(x)
        x = Activation('relu', name=prefix + '_sepconv2_act')(x)
        x = SeparableConv2D(728, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name=prefix + '_sepconv2')(x)
        x = BatchNormalization(name=prefix + '_sepconv2_bn')(x)
        x = Activation('relu', name=prefix + '_sepconv3_act')(x)
        x = SeparableConv2D(728, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name=prefix + '_sepconv3')(x)
        x = BatchNormalization(name=prefix + '_sepconv3_bn')(x)

        x = layers.add([x, residual])

    #=================#
    #    Exit flow
    #=================#
    # block13
    # 19,19,728 -> 10,10,1024
    residual = Conv2D(1024, (1, 1), strides=(2, 2),
                      padding='same', use_bias=False)(x)
    residual = BatchNormalization()(residual)

    x = Activation('relu', name='block13_sepconv1_act')(x)
    x = SeparableConv2D(728, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block13_sepconv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='block13_sepconv1_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block13_sepconv2_act')(x)
    x = SeparableConv2D(1024, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block13_sepconv2')(x)
    x = BatchNormalization(name='block13_sepconv2_bn')(x)

    x = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2), padding='same', name='block13_pool')(x)
    x = layers.add([x, residual])

    # block14
    # 10,10,1024 -> 10,10,2048
    x = SeparableConv2D(1536, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block14_sepconv1')(x)
    x = BatchNormalization(name='block14_sepconv1_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block14_sepconv1_act')(x)

    x = SeparableConv2D(2048, (3, 3), padding='same', use_bias=False, name='block14_sepconv2')(x)
    x = BatchNormalization(name='block14_sepconv2_bn')(x)
    x = Activation('relu', name='block14_sepconv2_act')(x)

    x = GlobalAveragePooling2D(name='avg_pool')(x)
    x = Dense(classes, activation='softmax', name='predictions')(x)

    inputs = img_input

    model = Model(inputs, x, name='xception')

    return model

model = Xception()
# 打印模型信息
model.summary()

 

二、设置动态学习率

这里先罗列一下学习率大与学习率小的优缺点。

• 学习率大

  • 优点： 1、加快学习速率。 2、有助于跳出局部最优值。
  • 缺点： 1、导致模型训练不收敛。 2、单单使用大学习率容易导致模型不精确。

• 学习率小

  • 优点： 1、有助于模型收敛、模型细化。 2、提高模型精度。
  • 缺点： 1、很难跳出局部最优值。 2、收敛缓慢。

# 设置初始学习率
initial_learning_rate = 1e-4

lr_schedule = tf.keras.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
        initial_learning_rate, 
        decay_steps=300,      
        decay_rate=0.96,     
        staircase=True)

# 将指数衰减学习率送入优化器
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=lr_schedule)

三、编译

在准备对模型进行训练之前，还需要再对其进行一些设置。以下内容是在模型的编译步骤中添加的：

• 优化器（optimizer）：决定模型如何根据其看到的数据和自身的损失函数进行更新。
• 损失函数（loss）：用于估量预测值与真实值的不一致程度。
• 评价函数（metrics）：用于监控训练和测试步骤。以下示例使用了准确率，即被正确分类的图像的比率。

model.compile(optimizer=optimizer,
              loss     ='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics  =['accuracy'])

四、训练模型

epochs = 15

history = model.fit(
    train_ds,
    validation_data=val_ds,
    epochs=epochs
)

五、模型评估

1. Accuracy与Loss图

acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']

loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

epochs_range = range(epochs)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()

2. 混淆矩阵

Seaborn 是一个画图库，它基于 Matplotlib 核心库进行了更高阶的 API 封装，可以让你轻松地画出更漂亮的图形。Seaborn 的漂亮主要体现在配色更加舒服、以及图形元素的样式更加细腻。

from sklearn.metrics import confusion_matrix
import seaborn as sns
import pandas as pd

# 定义一个绘制混淆矩阵图的函数
def plot_cm(labels, predictions):
    
    # 生成混淆矩阵
    conf_numpy = confusion_matrix(labels, predictions)
    # 将矩阵转化为 DataFrame
    conf_df = pd.DataFrame(conf_numpy, index=class_names ,columns=class_names)  
    
    plt.figure(figsize=(8,7))
    sns.heatmap(conf_df, annot=True, fmt="d", cmap="BuPu")
    plt.title('混淆矩阵',fontsize=15)
    plt.ylabel('真实值',fontsize=14)
    plt.xlabel('预测值',fontsize=14)

val_pre   = []
val_label = []

for images, labels in val_ds:#这里可以取部分验证数据（.take(1)）生成混淆矩阵
    for image, label in zip(images, labels):
        # 需要给图片增加一个维度
        img_array = tf.expand_dims(image, 0) 
        # 使用模型预测图片中的人物
        prediction = model.predict(img_array)

        val_pre.append(class_names[np.argmax(prediction)])
        val_label.append(class_names[label])

plot_cm(val_label, val_pre)

六、保存和加载模型 

# 保存模型
model.save('model/24_model.h5')

# 加载模型
new_model = tf.keras.models.load_model('model/24_model.h5')

经过本项目的实践，我们成功构建了一个基于Xception卷积神经网络的动物识别模型，不仅深入理解了深度学习在图像识别领域的应用，还掌握了数据处理、模型优化等关键技能。未来，我们计划进一步优化模型结构，探索更高效的数据增强方法，以提高模型的准确率和泛化能力