21 深度学习与 OpenCV 之训练自定义模型

在上一篇中，我们讨论了如何使用预训练的深度学习模型进行推断，此次我们将聚焦于如何使用 OpenCV 训练自定义模型。训练自定义模型允许我们针对特定任务优化模型性能。在深度学习的世界中，能够根据自己的需求创建和优化模型是一项重要的技能。本文将详细介绍训练自定义模型的步骤，并结合一个具体的案例，使这一过程更加清晰明了。

准备工作

数据集收集与预处理

在训练自定义模型之前，首先需要一个适合的训练数据集。假设我们的任务是对手写数字进行分类，我们可以使用“MNIST”数据集。MNIST 数据集包含 60,000 个手写数字的训练样本和 10,000 个测试样本。

数据预处理步骤：

1. 下载数据集：

   可以从 MNIST官网 下载数据集，或者使用 Python 库直接加载。

   from keras.datasets import mnist
   (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()

2. 数据归一化：

   将图像数据归一化到 [0, 1] 范围内，有助于模型更有效地训练。

   x_train = x_train.astype('float32') / 255.0
   x_test = x_test.astype('float32') / 255.0

3. 数据形状调整：

   OpenCV 和 Keras 常用的输入形状是 (样本数量, 高, 宽, 通道数)，我们需要将数据调整为适当的形状。

   x_train = x_train.reshape(-1, 28, 28, 1)
   x_test = x_test.reshape(-1, 28, 28, 1)

创建模型

我们使用 Keras 构建一个简单的卷积神经网络（CNN）作为我们的自定义模型。该模型旨在识别手写数字。

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Flatten, Dense

model = Sequential()
model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(128, activation='relu'))
model.add(Dense(10, activation='softmax'))

model.compile(loss='sparse_categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

训练模型

模型构建完成后，我们可以开始训练模型。训练过程中会调整模型参数，以便更好地适应训练数据。

model.fit(x_train, y_train, epochs=10, batch_size=200, validation_split=0.2)

• epochs：训练的轮数。
• batch_size：每个训练步骤使用多少样本。

保存模型

训练完毕后，我们需要保存模型，以便后续使用。OpenCV 支持将 Keras 模型转换为其可用格式。

model.save('mnist_model.h5')

使用 OpenCV 进行推断

我们可以使用 OpenCV 加载并使用已经训练好的模型进行预测。首先，需将 Keras 模型转换为 OpenCV 使用的格式，使用以下代码：

import cv2
from keras.models import load_model

# 加载训练好的 Keras 模型
model = load_model('mnist_model.h5')

# 这里是将 Keras 模型转换为 OpenCV DNN 格式（后续可优化）
def keras_to_opencv(model_path):
    net = cv2.dnn.readNetFromTensorflow(model_path)
    return net

通过 OpenCV 进行推断，您可以处理图像并分类手写数字：

image = cv2.imread('手写数字样本.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
image = cv2.resize(image, (28, 28))
image = image.astype('float32') / 255.0
image = image.reshape(-1, 28, 28, 1)

# 使用模型预测
pred = model.predict(image)
predicted_digit = np.argmax(pred)
print("预测的数字是: ", predicted_digit)

总结

通过本篇教程，我们学习了如何使用 OpenCV 训练自定义模型，并对模型进行了评估和推断。我们使用了经典的手写数字识别任务作为例子，展示了从数据收集到模型使用的完整流程。在下一篇中，我们将探讨一个实践项目——人脸识别，进一步拓展深度学习和 OpenCV 的应用。

通过这个系列教程，您已经掌握了 OpenCV 与深度学习的基本结合，希望在未来的项目中，您能熟练应用这些知识！