基于Tensorflow + Opencv 实现CNN自定义图像分类【图文】

摘要：本篇文章主要通过Tensorflow+Opencv实现CNN自定义图像分类案例，它能解决我们现实论文或实践中的图像分类问题，并与机器学习的图像分类算法进行对比实验。

本文分享自华为云社区《​​Tensorflow+Opencv实现CNN自定义图像分类及与KNN图像分类对比​​》，作者：eastmount 。

一.图像分类

图像分类（Image Classification）是对图像内容进行分类的问题，它利用计算机对图像进行定量分析，把图像或图像中的区域划分为若干个类别，以代替人的视觉判断。图像分类的传统方法是特征描述及检测，这类传统方法可能对于一些简单的图像分类是有效的，但由于实际情况非常复杂，传统的分类方法不堪重负。现在，广泛使用机器学习和深度学习的方法来处理图像分类问题，其主要任务是给定一堆输入图片，将其指派到一个已知的混合类别中的某个标签。

在下图中，图像分类模型将获取单个图像，并将为4个标签{cat，dog，hat，mug}，分别对应概率{0.6, 0.3, 0.05, 0.05}，其中0.6表示图像标签为猫的概率，其余类比。该图像被表示为一个三维数组。在这个例子中，猫的图像宽度为248像素，高度为400像素，并具有红绿蓝三个颜色通道（通常称为RGB）。因此，图像由248×400×3个数字组成或总共297600个数字，每个数字是一个从0（黑色）到255（白色）的整数。图像分类的任务是将这接近30万个数字变成一个单一的标签，如“猫（cat）”。

那么，如何编写一个图像分类的算法呢？又怎么从众多图像中识别出猫呢？这里所采取的方法和教育小孩看图识物类似，给出很多图像数据，让模型不断去学习每个类的特征。在训练之前，首先需要对训练集的图像进行分类标注，如图所示，包括cat、dog、mug和hat四类。在实际工程中，可能有成千上万类别的物体，每个类别都会有上百万张图像。

图像分类是输入一堆图像的像素值数组，然后给它分配一个分类标签，通过训练学习来建立算法模型，接着使用该模型进行图像分类预测，具体流程如下：

• 输入： 输入包含N个图像的集合，每个图像的标签是K种分类标签中的一种，这个集合称为训练集。
• 学习： 第二步任务是使用训练集来学习每个类的特征，构建训练分类器或者分类模型。
• 评价： 通过分类器来预测新输入图像的分类标签，并以此来评价分类器的质量。通过分类器预测的标签和图像真正的分类标签对比，从而评价分类算法的好坏。如果分类器预测的分类标签和图像真正的分类标签一致，表示预测正确，否则预测错误。

常见的分类算法包括朴素贝叶斯分类器、决策树、K最近邻分类算法、支持向量机、神经网络和基于规则的分类算法等，同时还有用于组合单一类方法的集成学习算法，如Bagging和Boosting等。

二.基于KNN算法的图像分类

1.KNN算法

K最近邻分类（K-Nearest Neighbor Classifier）算法是一种基于实例的分类方法，是数据挖掘分类技术中最简单常用的方法之一。该算法的核心思想是从训练样本中寻找所有训练样本X中与测试样本距离（欧氏距离）最近的前K个样本（作为相似度），再选择与待分类样本距离最小的K个样本作为X的K个最邻近，并检测这K个样本大部分属于哪一类样本，则认为这个测试样本类别属于这一类样本。

假设现在需要判断下图中的圆形图案属于三角形还是正方形类别，采用KNN算法分析如下：

• 当K=3时，图中第一个圈包含了三个图形，其中三角形2个，正方形一个，该圆的则分类结果为三角形。
• 当K=5时，第二个圈中包含了5个图形，三角形2个，正方形3个，则以3:2的投票结果预测圆为正方形类标。设置不同的K值，可能预测得到不同的结果。

简而言之，一个样本与数据集中的k个最相邻样本中的大多数的类别相同。由其思想可以看出，KNN是通过测量不同特征值之间的距离进行分类，而且在决策样本类别时，只参考样本周围k个“邻居”样本的所属类别。因此比较适合处理样本集存在较多重叠的场景，主要用于预测分析、文本分类、降维等处理。

KNN在Sklearn机器学习包中，实现的类是neighbors.KNeighborsClassifier，简称KNN算法。构造方法为：

KNeighborsClassifier(algorithm='ball_tree', 
    leaf_size=30, 
    metric='minkowski',
    metric_params=None, 
    n_jobs=1, 
    n_neighbors=3, 
    p=2, 
    weights='uniform')

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