基于Python深度學(xué)習(xí)的圖像數(shù)據(jù)分析

郭沛延，王中流，王巖，蘭騰凱

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽，110000)

0 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種應(yīng)用系統(tǒng)。Python是一種面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語言。盡管它有超過10年的發(fā)展歷史，但由于其豐富而強(qiáng)大的庫，逐步走向成熟和穩(wěn)定。作為一種文字語言，它具有非常簡單易懂的語法特征。它不僅適合執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)，而且可以在幾乎所有的操作系統(tǒng)中工作，具有一次性編譯和從任何地方啟動(dòng)的全部特征。此外，Python有一個(gè)非常強(qiáng)大的庫，包含了幾乎所有的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，只需根據(jù)需要對其進(jìn)行更改。因此，它非常適合作為一個(gè)研究人員和初學(xué)者程序員。近年來，工業(yè)、航天、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)D像處理提出了更高的要求。大多數(shù)在生活或工程應(yīng)用中使用的圖像都是數(shù)字圖像。數(shù)字圖像能夠使用數(shù)字陣列等方式來進(jìn)行表示，陣列當(dāng)中的元素被稱為像素，像素點(diǎn)是使用二進(jìn)制代碼來進(jìn)行表示的。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，圖像變得越來越清晰，圖像處理量越來越大，處理速度越來越慢。開發(fā)可以顯著提高處理速度，因此Python是滿足需求的語言之一。此外，可以直接生成具有許多優(yōu)秀庫的Python語言，也可以通過簡單的修改有效地補(bǔ)充各種需求。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 深度學(xué)習(xí)的概念

深度學(xué)習(xí)是在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種呈現(xiàn)訓(xùn)練的方法，也是人工智能領(lǐng)域最有前途的內(nèi)容，以各種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主要模型。據(jù)相關(guān)資料顯示，深度訓(xùn)練是近年來機(jī)械學(xué)習(xí)中增長最快的領(lǐng)域，也是最流行的技術(shù)方向。深度學(xué)習(xí)的層次結(jié)構(gòu)可以從簡單概念和高級抽象函數(shù)表示的組合中提取教訓(xùn)，這使計(jì)算機(jī)真正有能力理解世界。

1.2 Python簡介

Python是一種功能強(qiáng)大的編程語言。它在計(jì)算機(jī)的許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域，功能非常出色，是其他語言無法比擬的。因此，隨著圖像數(shù)據(jù)分析的不斷發(fā)展，它已經(jīng)成為數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域首選的編程語言。

1.3 圖像數(shù)據(jù)分析

圖像數(shù)據(jù)分析是使用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)正確處理和發(fā)展收集的數(shù)據(jù)來檢測數(shù)據(jù)規(guī)律的過程。隨著數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)處理方法，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力不斷增長，被處理的數(shù)據(jù)量也不斷增加。利用圖像數(shù)據(jù)分析方法可以改進(jìn)收集到的各種形式的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中檢測出規(guī)律，并利用檢測出的規(guī)律來預(yù)測數(shù)據(jù)的趨勢，從而幫助人們采取生產(chǎn)或其他解決方案。

2 基于Python深度學(xué)習(xí)手寫圖像數(shù)據(jù)分析

2.1 整體概述

使用矢量支持產(chǎn)品和多種版本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識別。該實(shí)驗(yàn)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用GPU來訓(xùn)練模型。若使用CPU來訓(xùn)練，將增加訓(xùn)練的復(fù)雜性和時(shí)間，而圖像分析則使用PIL和theano庫來完成。

本系統(tǒng)采用Python語言表達(dá)科學(xué)計(jì)算庫NUMPY的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并使用開放源代碼的圖像處理庫將圖像語法轉(zhuǎn)換成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的適當(dāng)格式。在代碼開發(fā)方面，嘗試封裝算法和數(shù)據(jù)源類。對系統(tǒng)中對手書寫的圖像進(jìn)行數(shù)字識別，對分析輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，計(jì)算系統(tǒng)識別率，根據(jù)數(shù)字識別率進(jìn)行LeNet5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

通過一組非線性映射的實(shí)例，說明了對多層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多層網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和梯度下降訓(xùn)練的能力可以用于復(fù)雜的圖像識別任務(wù)。本文提出手寫圖像的整體多層卷積網(wǎng)絡(luò)主要包括三個(gè)層次：輸入層、隱藏層和輸出層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸入層主要是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，通過設(shè)置MNIST數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行兩個(gè)部分代碼的排序工作。第一步是對于MNIST數(shù)據(jù)的本地加載進(jìn)行確認(rèn)，并確定其是否在代碼目錄當(dāng)中，如果沒有MNIST數(shù)據(jù)的相關(guān)目錄，程序?qū)M(jìn)行自動(dòng)下載，獲得數(shù)據(jù)集。當(dāng)對應(yīng)的目錄當(dāng)中已經(jīng)有MNIST數(shù)據(jù)的格式，本地?cái)?shù)據(jù)集就會進(jìn)行加字，從而降低網(wǎng)絡(luò)成本與時(shí)間成本。第二步，加載MNIST數(shù)據(jù)集會獲得train_set、valid_set和test_set數(shù)據(jù)，使用python的gzip中函數(shù)和CPickle中的函數(shù)，并包含了label文本。之后，在theano數(shù)據(jù)庫中將數(shù)據(jù)設(shè)置成sharedvariables形式，這樣能夠?yàn)楹罄m(xù)的GPU加速奠定基礎(chǔ)。因?yàn)閷haredvariables存到GPUmemory中GPU里數(shù)據(jù)類型只能是float，最后能夠轉(zhuǎn)換為int返回，這樣GPU加速的訓(xùn)練時(shí)間就會降低。

隱藏層的第一層為卷積層，設(shè)置了20個(gè)卷積核，各層卷積層的計(jì)算公式如下：

全聯(lián)接層為第二層，可讀取層域中最大象素，防止過擬合，減少權(quán)值量。二層卷積層為第三層，池化層對第四層進(jìn)行降采樣操作。用 maxpooling從頂層卷積層中輸出的數(shù)據(jù)降采樣。這個(gè)隱層是第五層，即全連通層。輸出層為預(yù)測值。

對于這個(gè)結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)初期的學(xué)習(xí)率是0.1，即在隨機(jī)梯度前的系數(shù)，學(xué)習(xí)步數(shù)為200，每一次訓(xùn)練都要看全部樣本。在500個(gè)樣本之后，計(jì)算梯度，更新參數(shù)，因此包數(shù)為500。卷積的輸入是4 D，數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換。該卷積層的第一層尺寸為28*28。在進(jìn)入卷積層后，通過內(nèi)積獲得24*24數(shù)據(jù)，池化 Maxpooling接收12*12個(gè)數(shù)據(jù)。每一包包含500幅圖畫，第一卷積層有20卷的積核，其結(jié)果是（500，20，4，4）次之為卷積層和池化層，函數(shù)圖為12*12，內(nèi)積后為8*8，以及隨后的池 maxpooling完成4*4。這個(gè)卷積層有50個(gè)卷積核，結(jié)果是(500,50,4,4)。接下來是隱藏層，即數(shù)據(jù)經(jīng)卷積合并后的2維形式。利用卷積核對同一圖象進(jìn)行卷積，將該特征映射到前一層的特征圖中，合并為一維矢量。輸出大小(500,500)。上一次使用了分類層，并使用定義在logistic回歸回歸。邏輯回歸梯度下降公式：

此層的輸出為（500，500）。

系統(tǒng)的訓(xùn)練流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)訓(xùn)練流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用MNIST數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集中了一些優(yōu)秀的開放源碼數(shù)據(jù)開發(fā)人員，它們在轉(zhuǎn)換時(shí)無需清理。并可將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)格式，以PIL庫和theano庫等搭配作為參考轉(zhuǎn)換。在MNIST程序中，MNIST提供了兩種裝入 MNIST數(shù)據(jù)集的方法：第一種是裝入本地 MNIST數(shù)據(jù)集，然后直接在下載入 MNIST數(shù)據(jù)集。這個(gè)模塊只用于裝載數(shù)據(jù)集和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式。

2.4 數(shù)據(jù)識別分析

整個(gè)訓(xùn)練采用的是LeNet5模式，因此采用了它的隱層結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練。總體設(shè)計(jì)有三個(gè)卷積層，分別為C1、C3、C5，在C1和C2卷積層后面有一層下采樣層，用于降低維度，S2和S4層是下采樣層。

卷積和采樣通常被認(rèn)為是一個(gè)整體。選擇層通常在卷積層后連接。所述卷積過程包括：對輸入圖像進(jìn)行裁剪，每次檢測圖像，提取相應(yīng)的卷積。每一卷積僅關(guān)注檢索的特征。在數(shù)學(xué)上，對數(shù)字圖像進(jìn)行剪裁，然后計(jì)算整個(gè)圖像。子樣本采集過程包括：子樣采集過程中，還減少了處理圖像像素所需的像素尺寸，減小按層參數(shù)設(shè)計(jì)的權(quán)重，再通過子樣采集層的加權(quán)運(yùn)算和附加偏移量，生成相應(yīng)尺寸的特征圖。考慮將下采層作為一個(gè)模糊濾波，二次提取特征向量。要準(zhǔn)確地提取特征信息，層深度越深，空間分辨率越低。

C3中每一個(gè)特征映射都包含20個(gè)或20個(gè)以上的特征。S2中每一個(gè)特征映射都沒有直接與C3中的每個(gè)特征映射聯(lián)系起來。因?yàn)橹边B會破壞網(wǎng)絡(luò)對稱性。由于每個(gè)特性映射的輸入不同，因此需要檢索不同的特性。

RBF參數(shù)向量用于F6層目標(biāo)向量。為了避免 sigmoid函數(shù)飽和，需要指出這些矢量是+1還是-1，它在F6的sigmoid范圍內(nèi)。實(shí)際上，+1和-1是 sigmoid函數(shù)的最大彎曲值。使F6單元工作在最大非線性條件下。sigmoid函數(shù)的飽和會導(dǎo)致收斂速度變慢，使損失函數(shù)變差。

運(yùn)行界面打開，點(diǎn)擊“選取圖片”按鈕，加載所需要識別的圖像，加載后的界面如圖3所示。

圖3 加載圖像后界面

選擇識別，系統(tǒng)就會得出相關(guān)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 識別結(jié)果圖

3 結(jié)語

本文分析了Le Net5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整后的識別率對比，對相同的MNIST數(shù)據(jù)集運(yùn)行其它算法，對數(shù)字識別的誤碼率進(jìn)行比較，找出優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對所選模型進(jìn)行改進(jìn)，并選取相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)集。