图像的本质是一个矩阵， 矩阵中的一个点就是一个像素，如果像素大小为 1000 × 1000 1000 \times 1000 1000×1000，那么图像原本的宽和高都是1000；同时，为了丰富图像的色彩，加入了通道这一概念，通道一般有三个，由三原色组成：RGB 红色，绿色，蓝色；jpg图像格式就是三通道图像，而png有四个通道，最后一个通道表示透明程度；
视觉基础
图像基础
PIL中有九种不同模式。分别为1，L，P，RGB，RGBA，CMYK，YCbCr，I，F
| 模式 | 描述 | 补充 |
| 1 | 模式“1”为二值图像，非黑即白。但是它每个像素用8个BIT表示，0表示黑，255表示白 | |
| L | 模式“L”为灰色图像，它的每个像素用8个BIT表示，0表示黑，255表示白，其他数字表示不同的灰度。 | 从模式“RGB”转换为“L”模式是按照下面的公式转换的： L = R ? 299 / 1000 + G ? 587 / 1000 + B ? 114 / 1000 L = R * 299/1000 + G * 587/1000+ B * 114/1000 L=R?299/1000+G?587/1000+B?114/1000 |
| P | 模式“P”为8位彩色图像，它的每个像素用8个BIT表示，其对应的彩色值是按照调色板查询出来的。 | |
| RGBA | 模式“RGBA”为32位彩色图像，它的每个像素用32个BIT表示，其中24BIT表示红色、绿色和蓝色三个通道，另外8BIT表示ALPHA通道，即透明通道。 | |
| CMYK | 模式“CMYK”为32位彩色图像，它的每个像素用32个BIT表示。模式“CMYK”就是印刷四分色模式，它是彩色印刷时采用的一种套色模式，利用色料的三原色混色原理，加上黑色油墨，共计四种颜色混合叠加，形成所谓“全彩印刷”。 | 四种标准颜色是：C：Cyan = 青色，又称为‘天蓝色’或是‘湛蓝’M：Magenta = 品红色，又称为‘洋红色’；Y：Yellow = 黄色；K：Key Plate(blacK) = 定位套版色（黑色）。 C = 255 ? R C = 255 - R C=255?R M = 255 ? G M = 255 - G M=255?G Y = 255 ? B Y = 255 - B Y=255?B K = 0 K = 0 K=0 |
| YCbCr | 模式“YCbCr”为24位彩色图像，它的每个像素用24个bit表示。YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。 | 模式“RGB”转换为“YCbCr”的公式如下： Y = 0.257 ? R + 0.504 ? G + 0.098 ? B + 16 Y= 0.257*R+0.504*G+0.098*B+16 Y=0.257?R+0.504?G+0.098?B+16 C b = ? 0.148 ? R ? 0.291 ? G + 0.439 ? B + 128 Cb = -0.148*R-0.291*G+0.439*B+128 Cb=?0.148?R?0.291?G+0.439?B+128 C r = 0.439 ? R ? 0.368 ? G ? 0.071 ? B + 128 Cr = 0.439*R-0.368*G-0.071*B+128 Cr=0.439?R?0.368?G?0.071?B+128 |
| I | 模式“I”为32位整型灰色图像，它的每个像素用32个bit表示，0表示黑，255表示白，(0,255)之间的数字表示不同的灰度。在PIL中，从模式“RGB”转换为“I”模式是按照下面的公式转换的： | 从实验的结果看，模式“I”与模式“L”的结果是完全一样，只是模式“L”的像素是8bit，而模式“I”的像素是32bit。 |
| F | 模式“F”为32位浮点灰色图像，它的每个像素用32个bit表示，0表示黑，255表示白，(0,255)之间的数字表示不同的灰度。 | 模式“F”与模式“L”的转换公式是一样的，都是RGB转换为灰色值的公式，但模式“F”会保留小数部分，如实验中的数据。 |
显示详细信息
转载自：Python图像处理库PIL中图像格式转换（一）_image .pixel-CSDN博客
卷积层：图像的中全连接层的优化
这里以单通道图像为例子，图像为 
，假设隐藏层为 
； 如果使用全连接，有： 
这样首先有几个缺点：1. 参数量爆炸式增长； 2. 这相当于把矩阵展开成了向量，丢失了位置信息组成的局部信息；
图像有两个性质：一个是局部性，一个是平移不变性；假设我们需要识别一张图像，我们不可能去关注所有的像素，假设目标是一只马，我们关注的是：它有几条腿，几只眼睛，站着还是坐着等等；这些都是局部信息，从局部信息推导全局信息这是一只马；平移不变性表示我们在局部获取的信息目标是相同的，比如我们要看一只马有几条腿，我们是从局部一个一个查找腿，最后汇总局部的结果，一共有4条腿；
这里使 
，有：
添加局部性我们可以把 a， b 不设置为宽和高这种全局参数，改小一点，如改成 
，有：
由于平移不变性 
应该与 
无关，有 
，得到： 
这就是卷积层的实质！ 这里 W被称为卷积核或者过滤器，是该层唯一一个可学习的权重，因此参数量大大减少；
卷积核
卷积核是卷积过程的核心， 卷积核主要是垂直卷积核，水平卷积核；这两个核在不同算子下面不一样，算子总结：
垂直卷积核，水平卷积核能够检测图像的水平边缘，垂直边缘等；
上述图片的代码如下：
from PIL import Image import numpy as np import scipy as sp import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt # 导入图片 img = np.array(Image.open('demo.jpg').convert('L')) # 设置算子 scharr = np.array([[ -3-3j, 0-10j, +3 -3j], [-10+0j, 0+ 0j, +10 +0j], [ -3+3j, 0+10j, +3 +3j]]) prewitt = np.array([[ -1-1j, 0-1j, +1 -1j], [ -1+0j, 0+0j, +1 +0j], [ -1+1j, 0+1j, +1 +1j]]) # 计算卷积 new_imgs = [img] for in2 in [scharr, prewitt]: new_img = sp.signal.convolve2d(img, in2, boundary='fill', mode='same') new_imgs.append(new_img) # 作图 fig, axes = plt.subplots(1,3, figsize=(10,4)) axes[0].imshow(np.abs(new_imgs[0]), cmap='gray') axes[0].axis('off') axes[0].set_title('origin') axes[1].imshow(np.abs(new_imgs[1]), cmap='gray') axes[1].axis('off') axes[1].set_title('scharr') axes[2].imshow(np.abs(new_imgs[2]), cmap='gray') axes[2].axis('off') axes[2].set_title('prewitt') plt.show()
这里对二维卷积的 mode ， boundary 进行讨论
| 参数 | 解释 |
| in1 | 输入的二维数组 |
| in2 | 输入的二维数组，代表卷积核 |
| mode | 卷积类型：“fulll”，“valid”，“same” |
| boundary | 边界填充方式：“fill”，“warp”，“symm” |
| fillvalue | 当boundary="fill"时，设置边界填充的方式，默认为0 |
mode的形象化如下图：
boundary的形象化如下图：
在神经网络中，还有一个参数叫步幅，默认步幅为1，这个很好理解，在计算卷积的时候，隔一个还是多个进行卷积计算，超出就不管了；
多通道图片进行卷积的话，相当于多了一个维度的卷积核，对应相加后再整体相加；
tf.keras中的卷积函数
详细可以看：
深入浅出理解转置卷积Conv2DTranspose_convtranspose2d-CSDN博客
Conv2d
tf.keras.layers.Conv2D(
filters,
kernel_size,
strides=(1, 1),
padding=‘valid’,
data_format=None,
dilation_rate=(1, 1),
groups=1,
activation=None,
use_bias=True,
kernel_initializer=‘glorot_uniform’,
bias_initializer=‘zeros’,
kernel_regularizer=None,
bias_regularizer=None,
activity_regularizer=None,
kernel_constraint=None,
bias_constraint=None,
**kwargs)
- filters：过滤器数量，对应输出的通道数
- kernel_size：过滤器的尺寸，好像网上大多数教程说2维卷积其尺寸是二维的，其实并不是：为了对通道数进行处理，过滤器的尺寸后面还加了一个维度，其维度值等于输入的通道数；加上filters，其真实维度为 [kernel_size_1, kernel_size_2, input_c, output_c]
- stride：步幅；
- padding：有两种取值，valid ，same。其意义和上面的一致；
- dilation：卷积核分散计算；
dilation具体形式如图：
输入维度
输出维度 
Conv2DTranspose
tf.keras.layers.Conv2DTranspose(
filters,
kernel_size,
strides=(1, 1),
padding=‘valid’,
output_padding=None,
data_format=None,
dilation_rate=(1, 1),
activation=None,
use_bias=True,
kernel_initializer=‘glorot_uniform’,
bias_initializer=‘zeros’,
kernel_regularizer=None,
bias_regularizer=None,
activity_regularizer=None,
kernel_constraint=None,
bias_constraint=None,
**kwargs)
其参数和Conv2D基本一致，从矩阵的角度出发，卷积的实质还是矩阵运算，不过多了变形的步骤：
Conv2DTranspose 主要利用逆变换的方式
| s=1, p=0, k=3 | s=2, p=0, k=3 | s=2, p=1, k=3 |
 |
 |
 |
从图中可以看到，有些块被重复利用了，这会照成一种棋盘效应，图像中的某个部位要比其他部位颜色更深；这是上采样照成的一种负面效应，信息只是看起来增长了；
反卷积和棋盘伪影 — Deconvolution and Checkerboard Artifacts (distill.pub)
这里有两种解决办法：
- 使kernel size能够被stride整除；
前面关于棋盘效应产生的原因就提到了，当kernel size不能被stride整除时会出现这种问题，那一个直观的方法就是让它能够被整除。但是，有研究指出，即使这样也无法从根本避免这个问题，因为我们不知道网络学到了什么样的卷积权重，无法解决；
- 双线性插值+卷积；
这是一个有效的解决方法，双线性插值可以减小插值的像素和原输入像素值的大小差异，再进行卷积可以避免该问题产生，如下所示：
One approach is to make sure you use a kernel size that is divided by your stride, avoiding the overlap issue. This is equivalent to “sub-pixel convolution,” a technique which has recently had success in image super-resolution 8. However, while this approach helps, it is still easy for deconvolution to fall into creating artifacts.
Another approach is to separate out upsampling to a higher resolution from convolution to compute features. For example, you might resize the image (using nearest-neighbor interpolation or bilinear interpolation) and then do a convolutional layer. This seems like a natural approach, and roughly similar methods have worked well in image super-resolution (eg. 9).
两个概念：特征图，感受野；特征图指的是卷积层的输出；感受野指的是某层某一输出的值依赖于原输入的值的范围，可以得到随着卷积层变多，感受野越大；
池化层
池化层是下采样算法，其是为了解决图像特征太多导致过拟合的问题，同时可以降低模型的参数量；池化相当于用一个值去代表一个二维矩阵；
池化层分为局部池化和全局池化：局部池化是对图像某一局部用数值代替，全局池化是对图像用数值代替；
最大池化：用最大值去代替矩阵，平均池化：用平均值去代替矩阵；
tf.keras.layers.MaxPool2D(
pool_size=(2, 2),
strides=None,
padding=‘valid’,
data_format=None,
**kwargs,
)
tf.keras.layers.GlobalMaxPool2D(*args, **kwargs)
data_format 表示输入的维度的顺序，默认是 channels_last，对应 
；还有一个 channels_first 对应 
，其他参数的参数意义和卷积一样；
现代经典网络
下面博客对经典卷积神经网络进行了总结：经典卷积神经网络总结_卷积神经网络报告-CSDN博客
DenseNet + 数据增强
这里以猫狗数据集为例子
导入数据
import matplotlib.pyplot as plt import tensorflow as tf (x_train, y_train), (x_test, y_test) = tf.keras.datasets.cifar10.load_data() # x_train.shape, y_train.shape, x_test.shape, y_test.shape # ((50000, 32, 32, 3), (50000, 1), (10000, 32, 32, 3), (10000, 1)) index_name = { 0:'airplane', 1:'automobile', 2:'bird', 3:'cat', 4:'deer', 5:'dog', 6:'frog', 7:'horse', 8:'ship', 9:'truck' }
建立数据集：
def process_data(img, label): img = tf.cast(img, tf.float32) / 255.0 img = tf.image.random_crop(img, [28,28,3]) img = tf.image.random_flip_up_down(img) img = tf.image.random_flip_left_right(img) img = tf.image.random_brightness(img, max_delta=0.5) return img, label batch_size = 64 AUTOTUNE = tf.data.experimental.AUTOTUNE train_data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)) test_data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)) train_data = train_data.map(process_data).batch(batch_size) test_data = test_data.map(process_data).batch(batch_size)
自定义层
class Conv_block(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, filters): super(Conv_block, self).__init__() self.bn = tf.keras.layers.BatchNormalization(axis=3, epsilon=1e-6) self.conv_1 = tf.keras.layers.Conv2D(filters, 3, padding='same') self.conv_2 = tf.keras.layers.Conv2D(filters, 1, padding='same') self.concat = tf.keras.layers.Concatenate() def call(self, x): x = self.bn(x) x = tf.keras.activations.relu(x) x1 = self.conv_1(x) x2 = self.conv_2(x) x = self.concat([x1, x2]) return x class Transition_block(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, filters, stride): super(Transition_block, self).__init__() self.bn = tf.keras.layers.BatchNormalization(axis=3, epsilon=1e-6) self.conv = tf.keras.layers.Conv2D(filters, 3, padding='same') self.maxpool = tf.keras.layers.MaxPooling2D(padding='same', strides=2) def call(self, x): x = self.bn(x) x = tf.keras.activations.relu(x) x = self.conv(x) x = self.maxpool(x) return x class Dense_block(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, filters, stride, blocks=3): super(Dense_block, self).__init__() self.conv_block_list = [Conv_block(filters) for _ in range(blocks)] self.transition_block = Transition_block(filters*2, stride) def call(self, x): for conv_block in self.conv_block_list: x = conv_block(x) x = self.transition_block(x) return x
建立模型：
class CustomModel(tf.keras.Model): def __init__(self, filters_list=[4,8,16]): super(CustomModel, self).__init__(self) self.dense_block_list = [Dense_block(filters, stride=2, blocks=3) for filters in filters_list] self.global_pool = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D() self.dense_final = tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax') def call(self, x): for dense_block in self.dense_block_list: x = dense_block(x) x = self.global_pool(x) x = self.dense_final(x) return x model = CustomModel() model.compile( loss=tf.keras.losses.sparse_categorical_crossentropy, optimizer='adam', metrics=[tf.keras.metrics.sparse_categorical_accuracy] )
开始训练：
model.fit(train_data, epochs=10)
训练结果
Epoch 1/10 782/782 [==============================] - 13s 13ms/step - loss: 1.9584 - sparse_categorical_accuracy: 0.2602 - val_loss: 1.8581 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.2886 Epoch 2/10 782/782 [==============================] - 10s 13ms/step - loss: 1.7564 - sparse_categorical_accuracy: 0.3421 - val_loss: 1.8680 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.3110 Epoch 3/10 782/782 [==============================] - 10s 13ms/step - loss: 1.6269 - sparse_categorical_accuracy: 0.3994 - val_loss: 1.5945 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.4117 Epoch 4/10 782/782 [==============================] - 10s 13ms/step - loss: 1.5092 - sparse_categorical_accuracy: 0.4506 - val_loss: 1.4653 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.4673 Epoch 5/10 782/782 [==============================] - 9s 12ms/step - loss: 1.4051 - sparse_categorical_accuracy: 0.4891 - val_loss: 1.4340 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.4818 Epoch 6/10 782/782 [==============================] - 10s 12ms/step - loss: 1.3170 - sparse_categorical_accuracy: 0.5240 - val_loss: 1.3246 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.5269 Epoch 7/10 782/782 [==============================] - 10s 13ms/step - loss: 1.2470 - sparse_categorical_accuracy: 0.5515 - val_loss: 1.3144 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.5209 Epoch 8/10 782/782 [==============================] - 10s 12ms/step - loss: 1.1866 - sparse_categorical_accuracy: 0.5733 - val_loss: 1.2512 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.5572 Epoch 9/10 782/782 [==============================] - 10s 13ms/step - loss: 1.1420 - sparse_categorical_accuracy: 0.5896 - val_loss: 1.1930 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.5681 Epoch 10/10 782/782 [==============================] - 10s 13ms/step - loss: 1.1046 - sparse_categorical_accuracy: 0.6040 - val_loss: 1.1394 - val_sparse_categorical_accuracy: 0.5952
