python神經網絡Xception模型復現詳解

更新時間：2022年05月06日 15:32:07 作者：Bubbliiiing

這篇文章主要為大家介紹了python神經網絡Xception模型復現詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

什么是Xception模型

Xception是谷歌公司繼Inception后，提出的InceptionV3的一種改進模型，其改進的主要內容為采用depthwise separable convolution來替換原來Inception v3中的多尺寸卷積核特征響應操作。

在講Xception模型之前，首先要講一下什么是depthwise separable convolution（深度可分離卷積塊）。

深度可分離卷積塊由兩個部分組成，分別是深度可分離卷積和1x1普通卷積，深度可分離卷積的卷積核大小一般是3x3的，便于理解的話我們可以把它當作是特征提取，1x1的普通卷積可以完成通道數的調整。

下圖為深度可分離卷積塊的結構示意圖：

深度可分離卷積塊的目的是使用更少的參數來代替普通的3x3卷積。

我們可以進行一下普通卷積和深度可分離卷積塊的對比：

假設有一個3×3大小的卷積層，其輸入通道為16、輸出通道為32。具體為，32個3×3大小的卷積核會遍歷16個通道中的每個數據，最后可得到所需的32個輸出通道，所需參數為16×32×3×3=4608個。

應用深度可分離卷積，用16個3×3大小的卷積核分別遍歷16通道的數據，得到了16個特征圖譜。在融合操作之前，接著用32個1×1大小的卷積核遍歷這16個特征圖譜，所需參數為16×3×3+16×32×1×1=656個。

可以看出來depthwise separable convolution可以減少模型的參數。

通俗地理解深度可分離卷積結構塊，就是3x3的卷積核厚度只有一層，然后在輸入張量上一層一層地滑動，每一次卷積完生成一個輸出通道，當卷積完成后，再利用1x1的卷積調整厚度。

（視頻中有些許錯誤，感謝zl960929的提醒，Xception使用的深度可分離卷積塊SeparableConv2D也就是先深度可分離卷積再進行1x1卷積。）

對于Xception模型而言，其一共可以分為3個flow，分別是Entry flow、Middle flow、Exit flow；

分為14個block，其中Entry flow中有4個、Middle flow中有8個、Exit flow中有2個。

具體結構如下：

其內部主要結構就是殘差卷積網絡搭配SeparableConv2D層實現一個個block，在Xception模型中，常見的兩個block的結構如下。這個主要在Entry flow和Exit flow中：

這個主要在Middle flow中：

Xception網絡部分實現代碼

#-------------------------------------------------------------#
#   Xception的網絡部分
#-------------------------------------------------------------#
from keras.preprocessing import image
from keras.models import Model
from keras import layers
from keras.layers import Dense,Input,BatchNormalization,Activation,Conv2D,SeparableConv2D,MaxPooling2D
from keras.layers import GlobalAveragePooling2D,GlobalMaxPooling2D
from keras import backend as K
from 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')
    model.load_weights("xception_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels.h5")
    return model

圖片預測

建立網絡后，可以用以下的代碼進行預測。

def preprocess_input(x):
    x /= 255.
    x -= 0.5
    x *= 2.
    return x
if __name__ == '__main__':
    model = Xception()
    img_path = 'elephant.jpg'
    img = image.load_img(img_path, target_size=(299, 299))
    x = image.img_to_array(img)
    x = np.expand_dims(x, axis=0)
    x = preprocess_input(x)
    print('Input image shape:', x.shape)
    preds = model.predict(x)
    print(np.argmax(preds))
    print('Predicted:', decode_predictions(preds))

預測所需的已經訓練好的Xception模型可以在https://github.com/fchollet/deep-learning-models/releases下載。非常方便。

預測結果為：

Predicted: [[('n02504458', 'African_elephant', 0.47570863), ('n01871265', 'tusker', 0.3173351), ('n02504013', 'Indian_elephant', 0.030323735), ('n02963159', 'cardigan', 0.0007877756), ('n02410509', 'bison', 0.00075616257)]]

以上就是python神經網絡Xception模型復現詳解的詳細內容，更多關于Xception模型的復現詳解的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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