19 模型评估与预测之模型预测

在上一篇文章中，我们探讨了如何使用 evaluate 方法对 Keras 模型进行评估。本文将重点讲解如何使用训练好的模型进行预测。模型预测是机器学习工作流中至关重要的一部分，它使我们能够使用模型对新数据进行推理。这一过程通常会涉及到数据预处理、模型输入格式的匹配以及最终的输出解析。让我们深入了解这一过程，并结合一个具体的案例进行讲解。

1. 理解模型预测

在机器学习中，模型预测指的是使用一个已经训练好的模型，对新的、未见过的数据进行分类或回归。在 Keras 中，预测的基本流程非常简单：

1. 准备数据：确保输入数据的格式与模型训练时保持一致。
2. 调用 predict 方法：使用模型的 predict 函数生成预测结果。
3. 解析输出：将模型输出转换为可读的格式。

2. 案例准备

假设我们已经训练了一个简单的图像分类模型，用于识别手写数字（例如，MNIST 数据集）。首先简单回顾一下模型的训练过程，然后将重点放在如何对新的数据进行预测。

2.1 模型训练流程

在进行预测之前，我们必须有一个训练好的模型。下面的代码演示了如何构建和训练一个简单的卷积神经网络（CNN）模型：

import numpy as np
from keras.datasets import mnist
from keras.utils import to_categorical
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Conv2D, Flatten, Dense, MaxPooling2D

# 加载 MNIST 数据集
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
x_train = np.expand_dims(x_train, axis=-1).astype('float32') / 255.0
x_test = np.expand_dims(x_test, axis=-1).astype('float32') / 255.0

# 数据预处理
y_train = to_categorical(y_train, 10)
y_test = to_categorical(y_test, 10)

# 构建简单的 CNN 模型
model = Sequential([
    Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)),
    MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),
    Flatten(),
    Dense(128, activation='relu'),
    Dense(10, activation='softmax')
])

model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
model.fit(x_train, y_train, epochs=5, batch_size=32, validation_split=0.2)

3. 模型预测

现在我们已经有了一个训练好的模型，接下来我们将使用这个模型对测试集中的一些图像进行预测。

3.1 使用 predict 方法

Keras 提供了一个非常直观的 predict 方法，使用方法如下：

# 使用训练好的模型进行预测
predictions = model.predict(x_test)

# 查看前五个预测结果
print("预测结果：", np.argmax(predictions[:5], axis=1))
print("真实标签：", np.argmax(y_test[:5], axis=1))

在这里，我们调用了模型的 predict 方法，并通过 np.argmax 将输出转换为类别标签。predictions 包含了每个测试样本属于各个类别的概率，最终我们选择概率最大的作为预测的类别。

3.2 解析预测结果

预测的输出是一个概率分布，对于图像分类任务，我们需要找到概率最高的类别：

• np.argmax(predictions, axis=1) 可以帮助我们取得每个预测样本最高概率对应的类别索引。
• 如果需要更详细的信息（如概率值），可以直接查看 predictions 这个数组。

3.3 评价预测结果

为了对预测结果的准确性进行评价，我们可以将模型的预测结果与真实标签进行比较：

correct_predictions = np.sum(np.argmax(predictions, axis=1) == np.argmax(y_test, axis=1))
accuracy = correct_predictions / len(y_test)
print(f'模型预测准确率：{accuracy * 100:.2f}%')

通过计算正确预测的数量与总样本的比例，我们可以得出完整的预测准确率。

4. 小结

本篇文章中，我们详细介绍了 Keras 框架中如何对已经训练好的模型进行预测。我们通过使用手写数字识别的案例，展示了从数据准备到最终解析预测结果的完整流程。接下来，在下一篇文章中，我们将进入更高阶的主题——迁移学习，并探索如何利用预训练模型来提升我们的模型性能。请继续关注我们的系列教程！