残差神经网络—代码详解

一、残差神经网络——ResNet的详述

1.1残差模块——Residual bloack

通过在一个浅层网络基础上叠加 y=x 的层（称identity mappings，恒等映射），可以让网络随深度增加而不退化。

这反映了多层非线性网络无法逼近恒等映射网络。但是，不退化不是我们的目的，我们希望有更好性能的网络。

resnet学习的是残差函数F(x) = H(x) - x, 这里如果F(x) = 0, 那么就是上面提到的恒等映射。事实上，

resnet是“shortcut connections”的在connections是在恒等映射下的特殊情况，它没有引入额外的参数和计算复杂度。

假如优化目标函数是逼近一个恒等映射, 而不是0映射，那么学习找到对恒等映射的扰动会比重新学习一个映射函数要容易。

残差函数一般会有较小的响应波动，表明恒等映射是一个合理的预处理。

残差模块小结：

非常深的网络很难训练，存在梯度消失和梯度爆炸问题，学习 skip connection它可以从某一层获得激活，然后迅速反馈给另外一层甚至更深层，利用 skip connection可以构建残差网络ResNet来训练更深的网络，ResNet网络是由残差模块构建的。

上图中，是一个两层的神经网络，在l层进行激活操作，得到a[l+1]，再次进行激活得到a[l+2]。由下面公式：

a[l+2] 加上了 a[l]的残差块，即：残差网络中，直接将a[l]向后拷贝到神经网络的更深层，在ReLU非线性激活前面

加上a[l]，a[l]的信息直接达到网络深层。使用残差块能够训练更深层的网络，构建一个ResNet网络就是通过将很多

这样的残差块堆积在一起，形成一个深度神经网络。

（三）残差网络——ResNet

上图中是用5个残差块连接在一起构成的残差网络，用梯度下降算法训练一个神经网络，若没有残差，会发现

随着网络加深，训练误差先减少后增加，理论上训练误差越来越小比较好。而对于残差网络来讲，随着层数增加，

训练误差越来越减小，这种方式能够到达网络更深层，有助于解决梯度消失和梯度爆炸的问题，让我们训练更深网络

同时又能保证良好的性能。

残差网络有很好表现的原因举例：

假设有一个很大的神经网络，输入矩阵为X，输出激活值为a[l]，加入给这个网络额外增加两层，最终输出结果为a[l+2]，

可以把这两层看做一个残差模块，在整个网络中使用ReLU激活函数，所有的激活值都大于等于0。

对于大型的网络，无论把残差块添加到神经网络的中间还是末端，都不会影响网络的表现。

残差网络起作用的主要原因是：It’s so easy for these extra layers to learn the itentity function.

这些残差块学习恒等函数非常容易。可以确定网络性能不受影响，很多时候甚至可以提高学习效率。

模型构建好后进行实验，在plain上观测到明显的退化现象，而且ResNet上不仅没有退化，34层网络的效果反而比18层的更好，而且不仅如此，ResNet的收敛速度比plain的要快得多。

实际中，考虑计算的成本，对残差块做了计算优化，即将两个3x3的卷积层替换为1x1 + 3x3 + 1x1,
如下图。新结构中的中间3x3的卷积层首先在一个降维1x1卷积层下减少了计算，然后在另一个1x1的卷积层下做了还原，既保持了精度又减少了计算量。

这相当于对于相同数量的层又减少了参数量，因此可以拓展成更深的模型。于是作者提出了50、101、152层的ResNet，而且不仅没有出现退化问题，错误率也大大降低，同时计算复杂度也保持在很低的程度。

这个时候ResNet的错误率已经把其他网络落下几条街了，但是似乎还并不满足，于是又搭建了更加变态的1202层的网络，对于这么深的网络，优化依然并不困难，但是出现了过拟合的问题，这是很正常的，作者也说了以后会对这个1202层的模型进行进一步的改进。

二、ResNet在Keras框架下的实现

(一)概况

利用残差神经网络ResNet构建一个很深度的卷积神经网络。理论上，很深的神经网络代表着复杂的函数，实际上它们很难训练，而ResNet比其他很深的神经网络训练起来更加实际可行。

1、构建基本的ResNet模块。

2、把这些ResNet模块集成在一起，实现和训练一个用于图像分类的最先进的神经网络。

3、该ResNet网络在深度学习框架 Keras下构建完成。

近年来，神经网络已变得更深，与最先进的网络从几层（如AlexNet）到一百层。一个非常深的网络的主要好处是：它可以代表非常复杂的函数。它还可以从许多不同层次的抽象中学习特征，从边缘（在较低的层）到非常复杂的特性（在更深的层次）。然而，使用更深层的网络并不总是有用的。训练它们巨大的障碍就是梯度消失：很深的网络往往梯度信号变为零的速度快，从而使梯度下降法非常地慢。更特别的是，在梯度下降，当你从最后一层BackProp回到第一层，每一步乘以权重矩阵，从而梯度以指数方式迅速减为为零（或者，在罕见的情况下，成倍的增长，迅速“爆炸”为非常大的值）。

在训练过程中，可能会看到前面层的梯度的量级或标准减小到零的速度很快，如下图所示：

（二）、构建残差块

在ResNet中，”shortcut” 或 “skip connection” 使得梯度反向传播到更前面的层：下图中左边的图片展示了神经网络的主路径“main path”，右侧的图片为“main path”添加了一个“short cut”，通过堆叠这些ResNet模块，可以构建很深的神经网络。

带有“shortcut”的ResNet模块，使得它对每一个模块很容易学习到恒等函数“identy function”，这意味着你可以叠加额外ResNet模块而对训练集的性能产生风险小的危害。还有一些证据表明，学习恒等函数“identy function” 甚至比“skip connection” 对于梯度消失问题更有帮助，且更能说明ResNets表现出色。在ResNet中使用两种主要类型的模块，主要取决于输入/输出尺寸是相同还是不同。

1、恒等残差块——The identity block

The identity block是ResNets中使用的标准块，对应于输入激活（例如 a [1]）与输出激活具有相同维度（例如a [l +2]）。

（1）、两层恒等残差块

下图展示了ResNets的两层的恒等残差块 identity block：

上面的路径是“shortcut path”，下面的路径是“main path”，在这个图中，同样也进行了CONV2D和ReLU操作，为了加速训练的速度也加入了Batch正则化“Batch Norm”，Batch Norm在Keras框架中就一句代码。

（2）、三层恒等残差块

在下面的这个例子中，将实际上实现一个略微更强大的版本，这个跳转连接“跳过”3个隐藏层而不是2层。

（3）、下面是细节的步骤：

a、主路径的第一部分：

第一个CONV2D的过滤器F1大小是（1*1），步长s大小为（1*1），卷积填充padding=”valid”即无填充卷积。

将这一部分命名为conv_name_base+’2a’,初始化时利用种子为seed=0。

第一个BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base+'2a'.

应用ReLU激活函数,这里没有超参数。

b、主路径的第二部分：

第二个CONV2D的过滤器F2大小是（f*f），步长s大小为（1*1），卷积填充padding=”same”即相同卷积。

将这一部分命名为conv_name_base’2b’,初始化时利用种子为seed=0。

第二个BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base+'2b'.

应用ReLU激活函数,这里没有超参数。

c、主路径的第三部分：

第三个CONV2D的过滤器F3大小是（1*1），步长s大小为（1*1），卷积填充padding=”valid“即无填充卷积。

将这一部分命名为conv_name_base+’2c’,初始化时利用种子为seed=0。

第三个BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base +'2c'.

这一部分中没有应用ReLU激活函数。

d、最后部分：

将shortcut和输入一起添加到模块中，然后再应用ReLU激活函数，这里没有超参数。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# Author:ZhengzhengLiu
#构建50层的ResNet神经网络实现图像的分类
#深度学习框架 Keras中实现
import numpy as np
import tensorflow as tf
from keras import layers
from keras.layers import Input,Add,Dense,Activation,ZeroPadding2D,\
BatchNormalization,Flatten,Conv2D,AveragePooling2D,MaxPooling2D,GlobalMaxPooling2D
from keras.models import Model,load_model
from keras.preprocessing import image
from keras.utils import layer_utils
from keras.utils.data_utils import get_file
from keras.applications.imagenet_utils import preprocess_input
from keras.utils.vis_utils import model_to_dot
from keras.utils import plot_model
from keras.initializers import glorot_uniform
import pydoc
from IPython.display import SVG
from resnets_utils import *
import scipy.misc
from matplotlib.pyplot import imshow
import keras.backend as K
K.set_image_data_format("channels_last")
K.set_learning_phase(1)
#恒等模块——identity_block
def identity_block(X,f,filters,stage,block):
"""
三层的恒等残差块
param :
X -- 输入的张量，维度为（m, n_H_prev, n_W_prev, n_C_prev）
f -- 整数，指定主路径的中间 CONV 窗口的形状（过滤器大小）
filters -- python整数列表，定义主路径的CONV层中的过滤器
stage -- 整数，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
block --字符串/字符，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
return:
X -- 三层的恒等残差块的输出，维度为：(n_H, n_W, n_C)
"""
#定义基本的名字
conv_name_base = "res"+str(stage)+block+"_branch"
bn_name_base = "bn"+str(stage)+block+"_branch"
#过滤器
F1,F2,F3 = filters
#保存输入值,后面将需要添加回主路径
X_shortcut = X
#主路径第一部分
X = Conv2D(filters=F1,kernel_size=(1,1),strides=(1,1),padding="valid",
name=conv_name_base+"2a",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"2a")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第二部分
X = Conv2D(filters=F2,kernel_size=(f,f),strides=(1,1),padding="same",
name=conv_name_base+"2b",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"2b")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第三部分
X = Conv2D(filters=F3,kernel_size=(1,1),strides=(1,1),padding="valid",
name=conv_name_base+"2c",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"2c")(X)
# 主路径最后部分,为主路径添加shortcut并通过relu激活
X = layers.add([X,X_shortcut])
X = Activation("relu")(X)
return X
tf.reset_default_graph()
with tf.Session() as sess:
np.random.seed(1)
A_prev = tf.placeholder("float",shape=[3,4,4,6])
X = np.random.randn(3,4,4,6)
A = identity_block(A_prev,f=2,filters=[2,4,6],stage=1,block="a")
sess.run(tf.global_variables_initializer())
out = sess.run([A],feed_dict={A_prev:X,K.learning_phase():0})
print("out = "+str(out[0][1][1][0]))
#运行结果：
out = [0.19716813 0. 1.3561227 2.1713073 0. 1.3324987 ]

2、卷积残差块——The convolutional block

（1)、综述

ResNet的convolutional_block是另一种类型的残差块，当输入和输出尺寸不匹配时，可以使用这种类型的块。

与identity block恒等残差块不同的地方是：在shortcut路径中是一个CONV2D的层。

shortcut路径中的CONV2D层用于将输入x调整为不同的尺寸，以便在添加shortcut残差块的值返回到主路径时需要最后添加的尺寸相匹配（与矩阵Ws的作用相同）。例如，要将激活值维度的高度和宽度缩小2倍，可以使用步长为2的1x1卷积。shortcut路径上的CONV2D层路径不使用任何非线性激活函数。它的主要作用是只应用一个（学习的）线性函数来减小输入的尺寸，使得尺寸匹配后面的添加步骤。

(2)、convolutional_block的细节步骤

a、主路径第一部分

第一个CONV2D的过滤器F1大小是（1*1），步长s大小为（s*s），卷积填充padding=”valid”即无填充卷积。

将这一部分命名为conv_name_base+’2a’。

第一个BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base+'2a'.

应用ReLU激活函数,这里没有超参数。

b、主路径第二部分

第二个CONV2D的过滤器F2大小是（f*f），步长s大小为（1*1），卷积填充padding=”same”即相同卷积。

将这一部分命名为conv_name_base+’2b’,初始化时利用种子为seed=0。

第二个BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base+'2b'.

应用ReLU激活函数,这里没有超参数。

c、主路径第三部分

第三个CONV2D的过滤器 F3大小是（1*1），步长s大小为（1*1），卷积填充padding=”valid“即无填充卷积。

将这一部分命名为 conv_name_base+’2c’,初始化时利用种子为seed=0。

第三个BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base+'2c'.

这一部分中没有应用ReLU激活函数。

d、shortcut 路径

该部分CONV2D的过滤器 F3大小是（1*1），步长s大小为（s*s），卷积填充 padding=”valid“即无填充卷积。

将这一部分命名为conv_name_base+’1’。

该部分BatchNorm是在通道/厚度的轴上进行标准化，并命名为bn_name_base+'1'

e、最后部分

将shortcut和输入一起添加到模块中，然后再应用ReLU激活函数，这里没有超参数。

#卷积残差块——convolutional_block
def convolutional_block(X,f,filters,stage,block,s=2):
"""
param :
X -- 输入的张量，维度为（m, n_H_prev, n_W_prev, n_C_prev）
f -- 整数，指定主路径的中间 CONV 窗口的形状（过滤器大小）
filters -- python整数列表，定义主路径的CONV层中的过滤器
stage -- 整数，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
block --字符串/字符，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
s -- 整数，指定使用的步幅
return:
X -- 卷积残差块的输出，维度为：(n_H, n_W, n_C)
"""
# 定义基本的名字
conv_name_base = "res" + str(stage) + block + "_branch"
bn_name_base = "bn" + str(stage) + block + "_branch"
# 过滤器
F1, F2, F3 = filters
# 保存输入值,后面将需要添加回主路径
X_shortcut = X
# 主路径第一部分
X = Conv2D(filters=F1, kernel_size=(1, 1), strides=(s, s), padding="valid",
name=conv_name_base + "2a", kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3, name=bn_name_base + "2a")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第二部分
X = Conv2D(filters=F2, kernel_size=(f, f), strides=(1, 1), padding="same",
name=conv_name_base + "2b", kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3, name=bn_name_base + "2b")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第三部分
X = Conv2D(filters=F3, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding="valid",
name=conv_name_base + "2c", kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3, name=bn_name_base + "2c")(X)
#shortcut路径
X_shortcut = Conv2D(filters=F3,kernel_size=(1,1),strides=(s,s),padding="valid",
name=conv_name_base+"1",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X_shortcut)
X_shortcut = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"1")(X_shortcut)
# 主路径最后部分,为主路径添加shortcut并通过relu激活
X = layers.add([X, X_shortcut])
X = Activation("relu")(X)
return X
tf.reset_default_graph()
with tf.Session() as test:
np.random.seed(1)
A_prev = tf.placeholder("float", [3, 4, 4, 6])
X = np.random.randn(3, 4, 4, 6)
A = convolutional_block(A_prev, f = 2, filters = [2, 4, 6], stage = 1, block = 'a')
test.run(tf.global_variables_initializer())
out = test.run([A], feed_dict={A_prev: X, K.learning_phase(): 0})
print("out = " + str(out[0][1][1][0]))
#运行结果：
out = [0.09018463 1.2348977 0.46822017 0.0367176 0. 0.65516603]

三、在Keras框架下构建50层的残差卷积神经网络ResNet

50层的残差卷积神经网络ResNet的细节部分：

0、为输入224*224*3填充大小为（3*3）的zero_padding。

1、第一阶段，输出大小为：56*56*64

2、第二阶段，输出大小为：56*56*256

3、第三阶段，输出大小为：28*28*512

4、第四阶段，输出大小为：14*14*1024

5、第五阶段，输出大小为：7*7*2048

6、最后阶段，输出6个类别

注意：

(1)正如在Keras教程中所看到的，在事先训练模型之前，需要通过编译模型来配置学习过程。

(2)模型训练20次epches，批样本数目batch_size = 32，在单个CPU上运行大概每个epoch需5分钟。

(3)当训练足够数量的迭代时，ResNet50是一个强大的图像分类模型。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# Author:ZhengzhengLiu
#构建50层的ResNet神经网络实现图像的分类
#深度学习框架 Keras中实现
import numpy as np
import tensorflow as tf
from keras import layers
from keras.layers import Input,Add,Dense,Activation,ZeroPadding2D,\
BatchNormalization,Flatten,Conv2D,AveragePooling2D,MaxPooling2D,GlobalMaxPooling2D
from keras.models import Model,load_model
from keras.preprocessing import image
from keras.utils import layer_utils
from keras.utils.data_utils import get_file
from keras.applications.imagenet_utils import preprocess_input
from keras.utils.vis_utils import model_to_dot
from keras.utils import plot_model
from keras.initializers import glorot_uniform
import pydoc
from IPython.display import SVG
from resnets_utils import *
import scipy.misc
from matplotlib.pyplot import imshow
import keras.backend as K
K.set_image_data_format("channels_last")
K.set_learning_phase(1)
#恒等模块——identity_block
def identity_block(X,f,filters,stage,block):
"""
三层的恒等残差块
param :
X -- 输入的张量，维度为（m, n_H_prev, n_W_prev, n_C_prev）
f -- 整数，指定主路径的中间 CONV 窗口的形状
filters -- python整数列表，定义主路径的CONV层中的过滤器数目
stage -- 整数，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
block --字符串/字符，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
return:
X -- 三层的恒等残差块的输出，维度为：(n_H, n_W, n_C)
"""
#定义基本的名字
conv_name_base = "res"+str(stage)+block+"_branch"
bn_name_base = "bn"+str(stage)+block+"_branch"
#过滤器
F1,F2,F3 = filters
#保存输入值,后面将需要添加回主路径
X_shortcut = X
#主路径第一部分
X = Conv2D(filters=F1,kernel_size=(1,1),strides=(1,1),padding="valid",
name=conv_name_base+"2a",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"2a")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第二部分
X = Conv2D(filters=F2,kernel_size=(f,f),strides=(1,1),padding="same",
name=conv_name_base+"2b",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"2b")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第三部分
X = Conv2D(filters=F3,kernel_size=(1,1),strides=(1,1),padding="valid",
name=conv_name_base+"2c",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"2c")(X)
# 主路径最后部分,为主路径添加shortcut并通过relu激活
X = layers.add([X,X_shortcut])
X = Activation("relu")(X)
return X
tf.reset_default_graph()
with tf.Session() as sess:
np.random.seed(1)
A_prev = tf.placeholder("float",shape=[3,4,4,6])
X = np.random.randn(3,4,4,6)
A = identity_block(A_prev,f=2,filters=[2,4,6],stage=1,block="a")
sess.run(tf.global_variables_initializer())
out = sess.run([A],feed_dict={A_prev:X,K.learning_phase():0})
print("out = "+str(out[0][1][1][0]))
#卷积残差块——convolutional_block
def convolutional_block(X,f,filters,stage,block,s=2):
"""
param :
X -- 输入的张量，维度为（m, n_H_prev, n_W_prev, n_C_prev）
f -- 整数，指定主路径的中间 CONV 窗口的形状（过滤器大小，ResNet中f=3）
filters -- python整数列表，定义主路径的CONV层中过滤器的数目
stage -- 整数，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
block --字符串/字符，用于命名层，取决于它们在网络中的位置
s -- 整数，指定使用的步幅
return:
X -- 卷积残差块的输出，维度为：(n_H, n_W, n_C)
"""
# 定义基本的名字
conv_name_base = "res" + str(stage) + block + "_branch"
bn_name_base = "bn" + str(stage) + block + "_branch"
# 过滤器
F1, F2, F3 = filters
# 保存输入值,后面将需要添加回主路径
X_shortcut = X
# 主路径第一部分
X = Conv2D(filters=F1, kernel_size=(1, 1), strides=(s, s), padding="valid",
name=conv_name_base + "2a", kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3, name=bn_name_base + "2a")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第二部分
X = Conv2D(filters=F2, kernel_size=(f, f), strides=(1, 1), padding="same",
name=conv_name_base + "2b", kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3, name=bn_name_base + "2b")(X)
X = Activation("relu")(X)
# 主路径第三部分
X = Conv2D(filters=F3, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding="valid",
name=conv_name_base + "2c", kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3, name=bn_name_base + "2c")(X)
#shortcut路径
X_shortcut = Conv2D(filters=F3,kernel_size=(1,1),strides=(s,s),padding="valid",
name=conv_name_base+"1",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X_shortcut)
X_shortcut = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name_base+"1")(X_shortcut)
# 主路径最后部分,为主路径添加shortcut并通过relu激活
X = layers.add([X, X_shortcut])
X = Activation("relu")(X)
return X
tf.reset_default_graph()
with tf.Session() as test:
np.random.seed(1)
A_prev = tf.placeholder("float", [3, 4, 4, 6])
X = np.random.randn(3, 4, 4, 6)
A = convolutional_block(A_prev, f = 2, filters = [2, 4, 6], stage = 1, block = 'a')
test.run(tf.global_variables_initializer())
out = test.run([A], feed_dict={A_prev: X, K.learning_phase(): 0})
print("out = " + str(out[0][1][1][0]))
#50层ResNet模型构建
def ResNet50(input_shape = (64,64,3),classes = 6):
"""
构建50层的ResNet,结构为：
CONV2D -> BATCHNORM -> RELU -> MAXPOOL -> CONVBLOCK -> IDBLOCK*2 -> CONVBLOCK -> IDBLOCK*3
-> CONVBLOCK -> IDBLOCK*5 -> CONVBLOCK -> IDBLOCK*2 -> AVGPOOL -> TOPLAYER
param :
input_shape -- 数据集图片的维度
classes -- 整数，分类的数目
return:
model -- Keras中的模型实例
"""
#将输入定义为维度大小为 input_shape的张量
X_input = Input(input_shape)
# Zero-Padding
X = ZeroPadding2D((3,3))(X_input)
# Stage 1
X = Conv2D(64,kernel_size=(7,7),strides=(2,2),name="conv1",kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
X = BatchNormalization(axis=3,name="bn_conv1")(X)
X = Activation("relu")(X)
X = MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2))(X)
# Stage 2
X = convolutional_block(X,f=3,filters=[64,64,256],stage=2,block="a",s=1)
X = identity_block(X,f=3,filters=[64,64,256],stage=2,block="b")
X = identity_block(X,f=3,filters=[64,64,256],stage=2,block="c")
#Stage 3
X = convolutional_block(X,f=3,filters=[128,128,512],stage=3,block="a",s=2)
X = identity_block(X,f=3,filters=[128,128,512],stage=3,block="b")
X = identity_block(X,f=3,filters=[128,128,512],stage=3,block="c")
X = identity_block(X,f=3,filters=[128,128,512],stage=3,block="d")
# Stage 4
X = convolutional_block(X,f=3,filters=[256,256,1024],stage=4,block="a",s=2)
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,1024],stage=4,block="b")
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,1024],stage=4,block="c")
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,1024],stage=4,block="d")
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,1024],stage=4,block="e")
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,1024],stage=4,block="f")
#Stage 5
X = convolutional_block(X,f=3,filters=[512,512,2048],stage=5,block="a",s=2)
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,2048],stage=5,block="b")
X = identity_block(X,f=3,filters=[256,256,2048],stage=5,block="c")
#最后阶段
#平均池化
X = AveragePooling2D(pool_size=(2,2))(X)
#输出层
X = Flatten()(X) #展平
X = Dense(classes,activation="softmax",name="fc"+str(classes),kernel_initializer=glorot_uniform(seed=0))(X)
#创建模型
model = Model(inputs=X_input,outputs=X,name="ResNet50")
return model
#运行构建的模型图
model = ResNet50(input_shape=(64,64,3),classes=6)
#编译模型来配置学习过程
model.compile(optimizer="adam",loss="categorical_crossentropy",metrics=["accuracy"])
#加载数据集
X_train_orig, Y_train_orig, X_test_orig, Y_test_orig, classes = load_dataset()
# Normalize image vectors
X_train = X_train_orig/255.
X_test = X_test_orig/255.
# Convert training and test labels to one hot matrices
Y_train = convert_to_one_hot(Y_train_orig, 6).T
Y_test = convert_to_one_hot(Y_test_orig, 6).T
print ("number of training examples = " + str(X_train.shape[0]))
print ("number of test examples = " + str(X_test.shape[0]))
print ("X_train shape: " + str(X_train.shape))
print ("Y_train shape: " + str(Y_train.shape))
print ("X_test shape: " + str(X_test.shape))
print ("Y_test shape: " + str(Y_test.shape))
#训练模型
model.fit(X_train,Y_train,epochs=20,batch_size=32)
#测试集性能测试
preds = model.evaluate(X_test,Y_test)
print("Loss = "+str(preds[0]))
print("Test Accuracy ="+str(preds[1]))si

四、在tensorflow框架下构建残差卷积神经网络ResNet V2

ResNet V2中的残差学习单元为 bottleneck，与ResNet V1的主要区别在于：

1、在每一层前都使用了Batch Normalization；2、对输入进行preactivation，而不是在卷积进行激活函数处理。

（一）基础知识应用

1、Python内建的集合模块——collections