【机器学习】通过tensorflow实现猫狗识别的深度学习进阶之路

简介

猫狗识别作为计算机视觉领域的经典入门任务，不仅能帮助我们掌握深度学习的核心流程，更能直观体会到不同优化策略对模型性能的影响。本文将从 “从零搭建简单 CNN” 出发，逐步引入 “数据增强” 和 **“**迁移学习” 技术，完整记录猫狗识别任务的优化历程。

项目背景

猫狗识别属于二分类图像任务，其核心挑战在于：

1. 图像存在姿态、光照、背景等差异，模型需要具备一定的泛化能力；
2. 若数据集规模有限，容易出现 “过拟合”（训练准确率高但验证准确率低）。

数据集介绍

数据集采用经典的“cats_and_dogs”的数据集，目录结构如下：

cats_and_dogs/
├── train/ # 训练集（约2000张图像）
│ ├── cats/ # 猫的图像
│ └── dogs/ # 狗的图像
└── validation/ # 验证集（约500张图像）
├── cats/
└── dogs/

阶段一：搭建基础CNN模型

我们先搭建一个简单的卷积神经网络（CNN），熟悉图像分类的完整流程：数据加载、模型构建、编译与训练。

导入库以及制定好数据路径

导入必要的库和自己所下载的数据的文件路径。

import os
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
base_dir = "D:/工作学习/Tensorflow2版本/第五章：猫狗识别实战/猫狗识别/猫狗识别/data/cats_and_dogs"
train_dir = os.path.join(base_dir, 'train')
validation_dir = os.path.join(base_dir, 'validation')
train_cats_dir = os.path.join(train_dir, 'cats')
train_dogs_dir = os.path.join(train_dir, 'dogs')
validation_cats_dir = os.path.join(validation_dir, 'cats')
validation_dogs_dir = os.path.join(validation_dir, 'dogs')

数据预处理

图像数据进行归一化(0-1)区间和批量处理数据。

train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(train_dir,  # 文件夹路径target_size=(64, 64),  # 指定resize成的大小batch_size=20,# 如果one-hot就是categorical，二分类用binary就可以class_mode='binary')
validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(validation_dir,target_size=(64, 64),batch_size=20,class_mode='binary')

搭建基础CNN模型

CNN 的核心是 “卷积 + 池化”：卷积层提取图像特征，池化层缩小特征图尺寸、减少计算量，最后通过全连接层输出分类结果。

model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(64,64,3)),tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu'),tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),tf.keras.layers.Conv2D(128,(3,3),activation='relu'),tf.keras.layers.MaxPooling2D(2,2),# 为全连接层准备tf.keras.layers.Flatten(),tf.keras.layers.Dense(512,activation='relu'),# 二分类sigmoid就够了tf.keras.layers.Dense(1,activation='sigmoid')
])
# 配置训练器
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=Adam(1e-4), metrics=['acc'])

训练网络模型

history = model.fit_generator(train_generator,steps_per_epoch=100,epochs=20,validation_data=validation_generator,validation_steps=50,verbose=2
)

训练结果

效果展示

import matplotlib.pyplot as plt
acc = history.history['acc']
val_acc = history.history['val_acc']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
epochs = range(len(acc))
plt.plot(epochs,acc,'bo',label='Training accuracy')
plt.plot(epochs,val_acc,'b',label='Validation accuracy')
plt.title('Training and validation accuracy')
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()

运行结果
1.准确率曲线（Training and validation accuracy）
训练准确率：呈现出持续上升的趋势，最终接近并超过 0.95，说明模型在训练集上的学习效果很好，能够不断地从训练数据中提取特征并正确分类。
验证准确率：虽然整体也有上升，但上升幅度远小于训练准确率，且数值稳定在 0.7 左右，与训练准确率差距较大。这表明模型在未见过的验证集数据上的泛化能力不足，没有很好地学到能推广到新数据的通用特征。
2. 损失曲线（Training and validation loss）
训练损失：随着训练轮次的增加，持续下降，最终接近 0.2，说明模型在训练过程中对训练数据的拟合程度越来越高，预测误差不断减小。
验证损失：虽然初期有下降，但之后趋于平稳甚至有所上升，最终稳定在 0.6 左右，与训练损失差距明显。这进一步验证了模型过拟合的问题，模型在训练集上表现越来越好，但在验证集上的性能提升不明显甚至变差。

阶段二：优化策略——数据增强缓解过拟合

过拟合的本质是 “数据多样性不足”，而数据增强通过对训练图像进行随机变换（旋转、平移、翻转等），人为扩充数据集，让模型学习到更通用的特征。

修改配置器并训练模型

修改train_datagen的配置（验证集不增强，保证评估真实性）。
增加随机旋转0-40度、随机水平平移20%、随机垂直平移20%、随即剪切、随机缩放、随即水平翻转以及空白区域用最近像素填充。

train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255,rotation_range=40,width_shift_range=0.2,height_shift_range=0.2,shear_range=0.2,zoom_range=0.2,horizontal_flip=True,fill_mode='nearest'
)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(train_dir,target_size=(64,64),batch_size=20,class_mode='binary'
)
validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(validation_dir,target_size=(64,64),batch_size=20,class_mode='binary'
)
history = model.fit_generator(train_generator,steps_per_epoch=100,epochs=100,validation_data=validation_generator,validation_steps=50,verbose=2
)

训练结果

效果展示

import matplotlib.pyplot as plt
acc = history.history['acc']
val_acc = history.history['val_acc']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
epochs = range(len(acc))
plt.plot(epochs,acc,'b',label='Training accuracy')
plt.plot(epochs,val_acc,'r',label='Validation accuracy')
plt.title('Training and validation accuracy')
plt.legend()
plt.figure()
plt.plot(epochs,loss,'b',label='Training loss')
plt.plot(epochs,val_loss,'r',label='Validation loss')
plt.title('Training and validation loss')
plt.legend()
plt.show()

运行结果
1.准确率曲线（Training and validation accuracy）
训练准确率：整体呈现上升趋势，最终接近 0.85 左右，说明模型在训练集上仍能有效学习特征。
验证准确率：也有明显的上升，并且与训练准确率的差距相比基础 CNN 模型有所缩小，最终稳定在 0.78 左右。这表明数据增强通过增加训练数据的多样性，使模型学到了更具泛化性的特征，在验证集上的表现得到了提升。不过，两者之间仍有一定差距，说明过拟合问题并未完全解决。
2. 损失曲线（Training and validation loss）
训练损失：随着训练轮次的增加，持续下降，最终接近 0.4，说明模型在训练数据上的拟合程度不断提高，预测误差减小。
验证损失：虽然整体也有下降的趋势，但波动较大，并且与训练损失仍存在一定差距。这进一步说明模型在验证集上的性能虽然有提升，但还不够稳定，仍然存在一定的过拟合风险。

阶段三：迁移学习借力训练模型

基础 CNN 的特征提取能力有限，而迁移学习直接使用在 “ImageNet”（百万级图像数据集）上预训练的模型（如 ResNet、Inception），这些模型已学到通用的图像特征，只需微调即可适配猫狗识别任务。

加载预训练模型ResNet101

选择 ResNet101（101 层残差网络），并移除其顶层分类器（保留特征提取部分）。

from tensorflow.keras.applications.resnet import ResNet101
from tensorflow.keras import layers, Model
pre_trained_model = ResNet101(input_shape=(75,75,3),# 输入大小include_top=False,# 不要最后的全连接层weights='imagenet')
# 冻结预训练模型权重（避免破坏已有特征）
for layer in pre_trained_model.layers:layer.trainable = False

添加自定义分类头

在预训练模型后添加适合二分类的全连接层。

from tensorflow.keras.optimizers import Adam
# 为全连接层准备
x = layers.Flatten()(pre_trained_model.output)
# 加入全连接层，这个需要重头训练
x = layers.Dense(1024, activation='relu')(x)
x = layers.Dropout(0.2)(x)
# 输出层
x = layers.Dense(1, activation='sigmoid')(x)
# 构建模型序列
model = Model(pre_trained_model.input, x)
model.compile(optimizer=Adam(learning_rate=0.001), loss='binary_crossentropy',metrics=['acc'])

添加早停回调并训练模型

当准确率达到目标后自动停止训练，避免无效迭代。

class myCallback(tf.keras.callbacks.Callback):def on_epoch_end(self, epoch, logs={}):if(logs.get('acc')>0.95):print('\nReached 0.95 accuracy so cancelling training')self.model.stop_training =True
callables = myCallback()
history = model.fit_generator(train_generator,validation_data=validation_generator,steps_per_epoch = 100,epochs=100,validation_steps= 50,verbose=2,callbacks=[callables]
)

训练结果

效果展示

import matplotlib.pyplot as plt
acc = history.history['acc']
val_acc = history.history['val_acc']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']epochs = range(len(acc))plt.plot(epochs, acc, 'b', label='Training accuracy')
plt.plot(epochs, val_acc, 'r', label='Validation accuracy')
plt.title('Training and validation accuracy')
plt.legend()plt.figure()plt.plot(epochs, loss, 'b', label='Training Loss')
plt.plot(epochs, val_loss, 'r', label='Validation Loss')
plt.title('Training and validation loss')
plt.legend()plt.show()

运行结果
准确率表现
训练准确率约 0.66，验证准确率约 0.68，过拟合问题大幅缓解，但是整体准确率远低于基础 CNN 的训练表现，说明迁移学习后的模型特征提取或分类头设计可能未充分发挥作用。
损失表现
训练损失和验证损失整体都有下降趋势，且差距较小，过拟合缓解；但训练损失仍维持在 0.65 左右（基础 CNN 训练损失最终接近 0.2），验证损失波动极大，说明模型在 “降低误差” 和 “稳定泛化” 上都有不足。