AI：拿来主义——预训练网络（一）

我们已经训练过几个神经网络了，识别手写数字，房价预测或者是区分猫和狗，那随之而来就有一个问题，这些训练出的网络怎么用，每个问题我都需要重新去训练网络吗？因为程序员都不太喜欢做重复的事情，因此答案肯定是已经有轮子了。

我们先来介绍一个数据集，ImageNet。这就不得不提一个大名鼎鼎的华裔 AI 科学家李飞飞。

2005 年左右，李飞飞结束了他的博士生涯，开始了他的学术研究不就她就意识到了一个问题，在此之前，人们都尽可能优化算法，认为无论数据如何，只要算法够好，就能做出更好的决策，李飞飞意识到了这个问题的局限性，恰巧她还是一个行动派，她要做出一个无比庞大的数据集，尽可能描述世界上一切物体的数据集，下载图片，给没一张图片做标注，简单而无聊，当然后来这项工作放到了亚马逊的众包平台上，全世界无数的人参与了这个伟大的项目，到此刻为止，已经有 14,197,122 张图片（一千四百万张），21841 个分类。在这个发展的过程中，人们也发现了这个数据集带来的成功远比预想的要多，甚至现在被认为最有前景的深度卷积神经网络的提出也与 ImageNet 不无关系。我忘记了谁这么说过：“就单单这一个数据集，就可以让李飞飞数据科学这个领域拥有一席之地”。暂且不说这么说是否准确，但这个数据集仍然在创造新的突破。（我曾经在台下听过李飞飞一次演讲，现在想想还觉得甚是激动，她真的充满热情）。

基于这个数据集，我们是不是可以训练出一些网络，一般情况下，大家就不用耗时再去训练网络了呢？答案是肯定的，并且在 Keras 就有个一些这样的模型，还是内置的，Keras 就是这么懂你，那就不用客气了，我们拿来用就好了，谢谢啦！

特征提取

我们之前用到的卷积神经网络都是分成了两部分，第一部分是由池化层和卷积层组成的卷积积，第二部分是由分类器，特征提取的含义就是第一部分不变，改变第二部分。

为什么可以这么做？我们之前解释过神经网络的运行原理，跟人脑的认识过程非常类似，还记得吗？我们还是看一看原来的图吧。

我们可以看出来，网络识别图像是有层次结构的，比如一开始的网络层是用来识别图像或者拼装线条的，这是通用且类似的，因此我们可以复用。而后面的分类器往往是根据具体的问题所决定的，比如识别猫或狗的眼睛就与识别桌子腿是不一样的，因此有越靠前越具有通用性的特点。Keras 中很多的内置模型都可以直接下载，如果你没有下载在使用的时候会自动下载：

https://github.com/fchollet/deep-learning-models/releases 

我们举一个例子，用 VGG16 去识别猫或狗，这次的解释都比较简单且都是以前说明过的，因此放在代码注释中：

#!/usr/bin/env python3 ​ import os import time ​ import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np from keras import layers from keras import models from keras import optimizers from keras.applications import VGG16 from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator ​ ​ def extract_features(directory, sample_count): # 图片转换区间 datagen = ImageDataGenerator(rescale=1. / 255) batch_size = 20 conv_base = VGG16(weights='imagenet', include_top=False, input_shape=(150, 150, 3)) ​ conv_base.summary() ​ features = np.zeros(shape=(sample_count, 4, 4, 512)) labels = np.zeros(shape=(sample_count)) # 读出图片，处理成神经网络需要的数据格式，上一篇文章中有介绍 generator = datagen.flow_from_directory( directory, target_size=(150, 150), batch_size=batch_size, class_mode='binary') i = 0 for inputs_batch, labels_batch in generator: print(i, '/', len(generator)) # 提取特征 features_batch = conv_base.predict(inputs_batch) features[i * batch_size: (i + 1) * batch_size] = features_batch labels[i * batch_size: (i + 1) * batch_size] = labels_batch i += 1 if i * batch_size >= sample_count: break ​ # 特征和标签 return features, labels ​ ​ def cat(): base_dir = '/Users/renyuzhuo/Desktop/cat/dogs-vs-cats-small' train_dir = os.path.join(base_dir, 'train') validation_dir = os.path.join(base_dir, 'validation') ​ # 提取出的特征 train_features, train_labels = extract_features(train_dir, 2000) validation_features, validation_labels = extract_features(validation_dir, 1000) ​ # 对特征进行变形展平 train_features = np.reshape(train_features, (2000, 4 * 4 * 512)) validation_features = np.reshape(validation_features, (1000, 4 * 4 * 512)) ​ # 定义密集连接分类器 model = models.Sequential() model.add(layers.Dense(256, activation='relu', input_dim=4 * 4 * 512)) model.add(layers.Dropout(0.5)) model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid')) ​ # 对模型进行配置 model.compile(optimizer=optimizers.RMSprop(lr=2e-5), loss='binary_crossentropy', metrics=['acc']) ​ # 对模型进行训练 history = model.fit(train_features, train_labels, epochs=30, batch_size=20, validation_data=(validation_features, validation_labels)) ​ # 画图 acc = history.history['acc'] val_acc = history.history['val_acc'] loss = history.history['loss'] val_loss = history.history['val_loss'] epochs = range(1, len(acc) + 1) plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='Training acc') plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='Validation acc') plt.title('Training and validation accuracy') plt.legend() plt.show() plt.figure() plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss') plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss') plt.title('Training and validation loss') plt.legend() plt.show() ​ ​ if __name__ == "__main__": time_start = time.time() cat() time_end = time.time() print('Time Used: ', time_end - time_start)​ 

有点巧合的是这里居然看不到太多的过拟合的痕迹，其实也是有可能会有过拟合的隐患的，那样就需要进行数据增强，与以前是一样的，只不过这里的区别就是用到了内置模型，模型的参数需要冻结，我们是不希望对已经训练好的模型进行更改的，具体关键代码写法如下：

conv_base.trainable = False ​ model = models.Sequential() model.add(conv_base) model.add(layers.Flatten()) model.add(layers.Dense(256, activation='relu')) model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid')) 

以上就是模型复用的一种方法，我们对模型都是原封不动的拿来用，我们下一篇文章将介绍另外一种方法，对模型进行微调。

> 首发自公众号：RAIS