使用 Colab 在 tf.keras 中训练模型，并使用 TensorFlow.js 在浏览器中运行

文 / Zaid Alyafeai

我们将创建一个简单的工具来识别图纸并输出当前图纸的名称。 此应用程序将直接在浏览器上运行，无需任何安装。我们会使用 Google Colab 来训练模型，并使用 TensorFlow.js 在浏览器上部署它。

代码和演示

在 GitHub 上找到现场演示和代码。 另外，请务必在此处测试 Google Colab 上的 notebook。

注：此处链接

https://colab.research.google.com/github/zaidalyafeai/zaidalyafeai.github.io/blob/master/sketcher/Sketcher.ipynb

数据集

我们将使用 CNN 识别不同类型的图样。 CNN 将在 Quick Draw 数据集上进行训练。 该数据集包含大约 345 个类别 5000 万个图样。

类的子集

传递途径

我们将使用 Keras 在 Google Colab 的 GPU 上免费训练模型，然后使用 TensorFlow.js（tfjs）直接在浏览器上运行。 我在 TensorFlow.js 上制作了一个教程，烦请阅读之后再继续。 这是该项目的传递途径：

在 Colab 上培训

Google 在 GPU 上提供免费处理能力。 您可以在本教程中看到如何创建笔记本和激活 GPU 编程。

输入

我们将基于 tensorflow 使用 keras 

1    import os    

2    import glob    

3    import numpy as np    

4    from tensorflow.keras import layers    

5    from tensorflow import keras    

6    import tensorflow as tf    

加载数据

由于内存有限，我们不会对所有类别进行训练。 我们只使用 100 个数据集。 每个类别的数据在 Google Cloud 上可用作形状为 [N，784] 的 numpy 数组，其中 N 是该特定类的图像数。 我们首先下载数据集

1    import urllib.request    

2    def download():    

3

4        base = 'https://storage.googleapis.com/quickdraw_dataset/full/numpy_bitmap/'    

5        for c in classes:    

6            cls_url = c.replace('_', '%20')    

7            path = base+cls_url+'.npy'    

8            print(path)    

9            urllib.request.urlretrieve(path, 'data/'+c+'.npy')  

由于内存有限，我们只会将每个类别中的 5000 张图像加载到内存。 还保留 20％ 的未经测试的数据

1    def load_data(root, vfold_ratio=0.2, max_items_per_class= 5000 ):    

2        all_files = glob.glob(os.path.join(root, '*.npy'))    

3    

4        #initialize variables     

5        x = np.empty([0, 784])    

6        y = np.empty([0])    

7        class_names = []    

8

9        #load a subset of the data to memory     

10        for idx, file in enumerate(all_files):    

11            data = np.load(file)    

12            data = data[0: max_items_per_class, :]    

13            labels = np.full(data.shape[0], idx)    

14

15            x = np.concatenate((x, data), axis=0)    

16            y = np.append(y, labels)    

17

18            class_name, ext = os.path.splitext(os.path.basename(file))    

19            class_names.append(class_name)    

20

21        data = None    

22        labels = None    

23

24        #separate into training and testing     

25        permutation = np.random.permutation(y.shape[0])    

26        x = x[permutation, :]    

27        y = y[permutation]    

28

29        vfold_size = int(x.shape[0]/100*(vfold_ratio*100))    

30

31        x_test = x[0:vfold_size, :]    

32        y_test = y[0:vfold_size]    

33

34        x_train = x[vfold_size:x.shape[0], :]    

35        y_train = y[vfold_size:y.shape[0]]    

return x_train, y_train, x_test, y_test, class_names

预处理数据

我们预处理数据准备开始训练。

1    # Reshape and normalize    

2    x_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], image_size, image_size, 1).astype('float32')    

3    x_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], image_size, image_size, 1).astype('float32')    

4

5    x_train /= 255.0    

6    x_test /= 255.0    

7

8    # Convert class vectors to class matrices    

9    y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)    

10    y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)

创建模型

我们将创建一个简单的 CNN。 请注意，参数数量越少，模型越简单越好。 实际上，我们将在浏览器转换后运行模型，并且我们希望让模型快速运行并进行预测。 以下模型包含 3 个转换层和 2 个密集层。

1    # Define model    

2    model = keras.Sequential()    

3    model.add(layers.Convolution2D(16, (3, 3),    

4                            padding='same',    

5                            input_shape=x_train.shape[1:], activation='relu'))    

6    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))

7    model.add(layers.Convolution2D(32, (3, 3), padding='same', activation= 'relu'))    

8    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))

9    model.add(layers.Convolution2D(64, (3, 3), padding='same', activation= 'relu'))    

10    model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size =(2,2)))

11    model.add(layers.Flatten())    

12    model.add(layers.Dense(128, activation='relu'))    

13    model.add(layers.Dense(100, activation='softmax'))    

14    # Train model    

15    adam = tf.train.AdamOptimizer()    

16    model.compile(loss='categorical_crossentropy',    

17                    optimizer=adam,    

18                    metrics=['top_k_categorical_accuracy']) 

19    print(model.summary())    

适配，验证和测试

之后，我们基于 5 个 epochs 和 256 个 batch 训练模型。

1    #fit the model     

2    model.fit(x = x_train, y = y_train, validation_split=0.1, batch_size = 256, verbose=2, epochs=5)    

3

4    #evaluate on unseen data    

5    score = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)

6    print('Test accuarcy: {:0.2f}%'.format(score[1] * 100)) 

以下是训练的结果

测试精度为 92.20%。

准备 Web 格式的模型

在我们对模型的准确性感到满意之后，我们将其保存以便进行转换

1    model.save('keras.h5')

我们安装了 tfjs 包进行转换

1    !pip install tensorflowjs 

之后我们转换该模型

1    !mkdir model    

2    !tensorflowjs_converter --input_format keras keras.h5 model/

这将创建一些权重文件以及包含模型体系结构的 json 文件。

压缩模型，准备将其下载到本地计算机

1    !zip -r model.zip model

最后下载模型

1    from google.colab import files    

2    files.download('model.zip')

浏览器推断

在本节中，我们将展示如何加载模型并进行推理。 假设我们有一个尺寸为 300 x 300 的画布。 关于界面和 TensorFlow.js 部分我就不一一详细展开了。

加载模型

为了使用 TensorFlow.js 首先我们使用以下的脚本

1    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/tfjs@latest"> </script>

你需要在本地计算机上运行服务器来承载权重文件。 可以像我一样在项目上创建一个 apache 服务器或在 GitHub 上托管页面。

之后，将模型加载到浏览器

1    model = await tf.loadModel('model/model.json')

使用 await 等待浏览器加载模型。

预处理 

我们需要在进行预测之前预处理数据。 首先从画布中获取图像数据

1    //the minimum boudning box around the current drawing

2    const mbb = getMinBox()

3    //cacluate the dpi of the current window 

4    const dpi = window.devicePixelRatio

5    //extract the image data 

6    const imgData = canvas.contextContainer.getImageData(mbb.min.x * dpi, mbb.min.y * dpi,

7                                                (mbb.max.x - mbb.min.x) * dpi, (mbb.max.y - mbb.min.y) * dpi);

我们以后再解释 getMinBox()。 变量 dpi 用于根据屏幕像素的密度拉伸画布。

我们将画布的当前图像数据转换为张量，调整大小并进行标准化。

1    function preprocess(imgData)    

2    {    

3    return tf.tidy(()=>{    

4            //convert the image data to a tensor     

5            let tensor = tf.fromPixels(imgData, numChannels= 1)    

6            //resize to 28 x 28     

7            const resized = tf.image.resizeBilinear(tensor, [28, 28]).toFloat()    

8            // Normalize the image     

9            const offset = tf.scalar(255.0);    

10        const normalized = tf.scalar(1.0).sub(resized.div(offset));    

11            //We add a dimension to get a batch shape     

12            const batched = normalized.expandDims(0)

13            return batched    

14    })    

15    }

对于预测，我们使用 model.predict 这将返回形状为 [N，100]的概率。

1    const pred = model.predict(preprocess(imgData)).dataSync()

然后我们可以使用简单的函数来找到前 5 个概率。

提高准确率

请记住，我们的模型接受形状为 [N，28,28,1] 的张量。 我们的绘图画布尺寸为 300 x 300，对于绘图来说可能是太大了，或者说，用户可能想绘制一个小图。 最好裁剪到仅包含当前图形大小的框。 为此，我们通过查找左上角和右下角来提取图形周围的最小边界框

1    //record the current drawing coordinates       

2    function recordCoor(event)    

3    {    

4        //get current mouse coordinate     

5        var pointer = canvas.getPointer(event.e);    

6        var posX = pointer.x;    

7        var posY = pointer.y;

8

9        //record the point if withing the canvas and the 10        mouse is pressed     

if(posX >=0 && posY >= 0 && mousePressed)    

11        {      

12            coords.push(pointer)    

13        }    

14    }

15

16    //get the best bounding box by finding the top left and bottom right cornders        

17    function getMinBox(){

18

19        var coorX = coords.map(function(p) {return p.x});

20        var coorY = coords.map(function(p) {return p.y}); 

21        //find top left corner     

22        var min_coords = {    

23        x : Math.min.apply(null, coorX),    

24        y : Math.min.apply(null, coorY)    

25        }    

26        //find right bottom corner     

27        var max_coords = {    

28        x : Math.max.apply(null, coorX),    

29        y : Math.max.apply(null, coorY)    

30        }    

31        return {    

32        min : min_coords,    

33        max : max_coords    

34        }    

35    }    

测试绘图

下面是大家初次绘图出现的最频繁的图样。 我用鼠标画了所有的图样。 如果使用笔，准确性会更高。

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