【计算机视觉CV-图像分类】06 - VGGNet的鲜花分类实现：从数据预处理到模型优化的完整实战！

目录

1. 引言

2. VGGNet概述

3. VGGNet的网络架构

4. 基于预训练VGGNet的五类鲜花分类实现

   • 4.1 数据准备与预处理

   • 4.2 模型实例化与参数调整

   • 4.3 模型训练与保存最优模型

   • 4.4 模型导入与预测

   • 4.5 训练过程的可视化

5. 模型优化与防止过拟合

6. 总结与展望

7. 参考文献

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引言

在计算机视觉领域，图像分类是一个基础且关键的任务。随着深度学习技术的迅猛发展，卷积神经网络（CNN）在图像分类任务中展现出了卓越的性能。VGGNet作为一种经典的深层卷积神经网络，以其简洁而深邃的网络结构，在图像分类任务中取得了显著的成果。本文将详细介绍VGGNet的架构，并通过一个五类鲜花分类的实例，演示如何利用预训练的VGGNet模型进行图像分类。本文使用的工具链为PyTorch 2.5.1与TorchVision 0.20.1，确保代码的兼容性和稳定性。

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VGGNet概述

VGGNet由牛津大学视觉几何组（Visual Geometry Group, VGG）和Google DeepMind的研究人员于2014年共同开发。VGGNet在2014年ImageNet大规模视觉识别挑战赛（ILSVRC2014）中表现优异，尤其在图像分类任务中取得了显著的成绩。

VGGNet的主要特点

1. 统一的卷积核尺寸：VGGNet全部采用3×3的小卷积核。这种设计不仅减少了参数数量，还能通过堆叠多个卷积层来增加网络的深度和非线性表达能力。

2. 深层网络结构：VGGNet通过增加网络的深度（层数），增强了模型的特征提取能力，相较于早期的网络如AlexNet，VGGNet在图像分类任务中表现更加出色。

3. 重复使用简单的模块：VGGNet通过重复使用相同的卷积和池化模块，使得网络结构简洁且易于扩展，便于理解和实现。

4. 全连接层：在卷积层之后，VGGNet使用多个全连接层进行高层次的特征组合和分类任务，增强了模型的分类能力。

VGGNet的版本

VGGNet有多个不同深度的版本，最常用的是VGG-16和VGG-19，分别包含16层和19层深度。这些版本在不同的任务中表现出色，尤其是在图像特征提取方面，被广泛应用于各种计算机视觉任务中。

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VGGNet的网络架构

VGGNet的网络架构以其统一的小卷积核和深层结构著称。以VGG-16为例，其详细架构如下：

图片来源：Wikipedia

VGG-16详细架构

from torchsummary import summary
# 通过net.summay()查看网络的形状
summary(model=model,input_size=(3,224,224),batch_size=1,device='cpu')

1. 输入层：224×224 RGB图像。

2. 卷积层：

   • Conv1: 2个3×3卷积，64个通道

   • Conv2: 2个3×3卷积，128个通道

   • Conv3: 3个3×3卷积，256个通道

   • Conv4: 3个3×3卷积，512个通道

   • Conv5: 3个3×3卷积，512个通道

3. 池化层：每两个或三个卷积层后接一个2×2的最大池化层，进行空间降维。

4. 全连接层：

   • FC1: 4096个神经元

   • FC2: 4096个神经元

   • FC3: 1000个神经元（对应ImageNet的1000类）

参数总数

VGG-16共有约138,357,544个参数，其中包括138,357,544个可训练参数。这一庞大的参数量赋予了VGGNet强大的特征表达能力，但也带来了计算和存储的挑战。

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基于预训练VGGNet的五类鲜花分类实现

在实际应用中，训练一个深层次的卷积神经网络（如VGGNet）需要大量的计算资源和时间。为此，我们可以利用在大型数据集（如ImageNet）上预训练的模型，进行迁移学习，以便在较小的数据集上快速获得较好的性能。本文将通过一个五类鲜花分类的实例，详细讲解如何利用预训练的VGGNet模型进行图像分类任务。

4.1 数据准备与预处理

首先，我们需要准备好五类鲜花的图像数据集，并对其进行预处理，以适应VGGNet的输入要求。具体步骤包括调整图像大小、数据增强和批量加载。

数据集介绍

假设我们使用的是一个包含五类鲜花的图像数据集，每类约有100张图像。数据集分为训练集和验证集，分别存放在不同的文件夹中。

数据预处理

数据预处理是深度学习模型训练中的关键步骤。对于VGGNet，我们需要将输入图像调整为224×224的尺寸，并进行标准化处理。此外，为了提高模型的泛化能力，我们还可以应用数据增强技术，如随机水平翻转和随机旋转。

import torch
import numpy as np  # 新增 numpy 导入
from torchvision import transforms
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.datasets import ImageFolder
import matplotlib.pyplot as plt# 指定PyTorch和TorchVision的版本兼容性
print(f"PyTorch version: {torch.__version__}")
print(f"TorchVision version: {torch.__version__}")  # TorchVision 0.20.1与PyTorch 2.5.1兼容# 如果 MPS 可用，选择 "mps"。如果 CUDA 可用，选择 "cuda"。如果两者都不可用，选择 "cpu"。
device = torch.device("mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 将模型移到设备上
model.to(device)# 指定批次大小
batch_size = 4# 指定数据集路径
flower_train_path = '../01.图像分类/dataset/flower_datas/train/'
flower_val_path = '../01.图像分类/dataset/flower_datas/val/'# 定义数据预处理方式
train_transforms = transforms.Compose([transforms.Resize((224, 224)),                     # 调整图像大小transforms.RandomHorizontalFlip(),                 # 随机水平翻转transforms.RandomRotation(15),                     # 随机旋转transforms.ToTensor(),                             # 转换为Tensortransforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406],       # 标准化[0.229, 0.224, 0.225])
])val_transforms = transforms.Compose([transforms.Resize((224, 224)),                     # 调整图像大小transforms.ToTensor(),                             # 转换为Tensortransforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406],       # 标准化[0.229, 0.224, 0.225])
])# 加载训练集和验证集
flower_train = ImageFolder(root=flower_train_path, transform=train_transforms)
flower_val = ImageFolder(root=flower_val_path, transform=val_transforms)# 创建数据加载器
train_loader = DataLoader(dataset=flower_train, batch_size=batch_size, shuffle=True)
val_loader = DataLoader(dataset=flower_val, batch_size=batch_size, shuffle=False)# 获取类别名称
classes = flower_train.classes
print(f"类别名称: {classes}")# 可视化一个批次的数据
def imshow(inp, title=None):"""显示一个Tensor图像"""inp = inp.numpy().transpose((1, 2, 0))  # 转换为 (H, W, C) 格式mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])  # 转换为 numpy 数组std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])  # 转换为 numpy 数组inp = std * inp + mean  # 反标准化inp = np.clip(inp, 0, 1)  # 将像素值限制在 0 到 1 之间plt.imshow(inp)  # 显示图像if title:plt.title(title)  # 如果提供了标题，则显示类别名称作为标题plt.pause(0.001)  # 暂停以确保图像显示# 展示训练集中的一个batch
inputs, classes_idx = next(iter(train_loader))  # 从训练集加载器中获取一个批次的数据
out = torchvision.utils.make_grid(inputs)  # 将多个图像拼接成网格imshow(out, title=[classes[x] for x in classes_idx])  # 显示拼接后的图像，并显示对应的类别名称
plt.show()  # 显示图像窗口

结果展示：

图片示例来自自定义数据集

代码解析

1. 导入必要的库：包括torch、torchvision及其相关模块。

2. 设置设备：判断是否有GPU可用，以加速训练过程。

3. 定义数据预处理：

   • 训练集：包括随机水平翻转和随机旋转的数据增强，以提高模型的泛化能力。

   • 验证集：仅调整图像大小和标准化，确保评估时数据的一致性。

4. 加载数据集：使用ImageFolder读取指定路径下的图像数据，并应用相应的预处理。

5. 创建数据加载器：使用DataLoader批量加载数据，设置适当的批次大小和是否打乱数据。

6. 获取类别名称：从训练集中提取类别标签，便于后续的结果解读。

7. 可视化数据：通过matplotlib展示一个批次的图像，帮助理解数据分布。

4.2 模型实例化与参数调整

接下来，我们将实例化预训练的VGG-16模型，并根据五类鲜花分类任务进行调整。具体步骤包括加载预训练权重、冻结卷积层参数、调整全连接层以适应五分类任务等。

from torchvision.models import vgg16, VGG16_Weights
import torch.nn as nn# 1. 实例化模型
# 指定 weights=VGG16_Weights.IMAGENET1K_V1 来获取官方的 ImageNet 预训练权重
model = vgg16(weights=VGG16_Weights.IMAGENET1K_V1)# 查看模型结构（可选）
#print(model)# 2. 冻结卷积层的参数，以防止在训练过程中更新
for param in model.features.parameters():param.requires_grad = False# 3. 修改全连接层以适应5类分类任务
# VGG-16的classifier包含3个全连接层，最后一层输出为1000类
# 我们将其修改为5类
num_features = model.classifier[6].in_features
model.classifier[6] = nn.Linear(num_features, 5)# 将模型移动到设备（GPU或CPU）
model = model.to(device)# 4. 查看修改后的模型结构（可选）
#print(model)

代码解析

1. 加载预训练模型：

   • 使用vgg16函数，并指定weights=VGG16_Weights.IMAGENET1K_V1来加载在ImageNet数据集上预训练的权重。

2. 冻结卷积层参数：

   • 通过设置param.requires_grad = False，冻结卷积层的参数，避免在训练过程中更新。这有助于减少训练时间和防止过拟合，尤其在数据集较小时效果显著。

3. 调整全连接层：

   • VGG-16的全连接层classifier的最后一层（classifier[6]）原本输出为1000类。我们将其替换为输出5类，以适应五类鲜花分类任务。

4. 移动模型到设备：

   • 将模型移动到GPU（如果可用）或CPU，确保后续的训练和推理过程在指定设备上进行。

4.3 模型训练与保存最优模型

在完成模型实例化和参数调整后，我们将定义训练过程，包括前向传播、损失计算、反向传播和参数更新。此外，我们还将实现保存验证集上表现最优的模型，以便在训练完成后进行加载和预测。

import torch.optim as optim
from tqdm import tqdm  # 用于显示训练进度条
import copy  # 用于保存模型的最佳权重# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# - **损失函数**：交叉熵损失函数，用于多分类问题，衡量预测值与真实标签的差异。# 只优化最后一层全连接层的参数
optimizer = optim.Adam(model.classifier.parameters(), lr=1e-4)
# - **优化器**：使用 Adam 优化算法，只针对模型的全连接层（`classifier`）进行优化。
# - **学习率 (lr)**：设置为 1e-4，控制每次参数更新的步幅。# 定义训练和验证的函数
def train_model(model, criterion, optimizer, train_loader, val_loader, num_epochs=25):"""训练和验证模型:param model: 要训练的神经网络模型:param criterion: 损失函数:param optimizer: 优化器:param train_loader: 训练数据加载器:param val_loader: 验证数据加载器:param num_epochs: 训练的总轮次:return: 训练完成后的模型和记录的训练历史"""best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())# 保存最佳模型的权重best_acc = 0.0  # 初始化最佳验证准确率# 用于记录每个epoch的训练和验证损失与准确率train_losses = []  # 记录训练集损失val_losses = []  # 记录验证集损失train_accuracies = []  # 记录训练集准确率val_accuracies = []  # 记录验证集准确率for epoch in range(num_epochs):print(f'Epoch {epoch+1}/{num_epochs}')  # 打印当前轮次print('-' * 10)  # 分隔线# 每个epoch都有训练和验证两个阶段for phase in ['train', 'val']:if phase == 'train':model.train()  # 设置模型为训练模式（启用Dropout和BatchNorm）dataloader = train_loader  # 使用训练集加载器else:model.eval()   # 设置模型为评估模式（禁用Dropout和BatchNorm）dataloader = val_loader  # 使用验证集加载器running_loss = 0.0  # 累积损失初始化running_corrects = 0  # 累积正确预测数初始化# 迭代数据for inputs, labels in tqdm(dataloader, desc=f'{phase}'):inputs = inputs.to(device)  # 将输入数据移动到指定设备（GPU或CPU）labels = labels.to(device)  # 将标签移动到指定设备# 前向传播with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):# 如果是训练阶段启用梯度计算，验证阶段关闭梯度计算以加速outputs = model(inputs)  # 模型前向计算，得到输出_, preds = torch.max(outputs, 1)  # 获取预测类别loss = criterion(outputs, labels)  # 计算损失# 反向传播和优化（仅训练阶段）if phase == 'train':optimizer.zero_grad()  # 清空梯度loss.backward()  # 反向传播计算梯度optimizer.step()  # 更新模型参数# 统计损失和正确预测数running_loss += loss.item() * inputs.size(0)  # 累积损失，乘以批次大小running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)  # 累积正确预测数epoch_loss = running_loss / len(dataloader.dataset)# 平均损失：累积损失除以数据集大小epoch_acc = running_corrects.float() / len(dataloader.dataset)# 准确率：累积正确数除以数据集大小print(f'{phase} Loss: {epoch_loss:.4f} Acc: {epoch_acc:.4f}')# 输出当前阶段的损失和准确率# 记录损失和准确率if phase == 'train':train_losses.append(epoch_loss)train_accuracies.append(epoch_acc.item())else:val_losses.append(epoch_loss)val_accuracies.append(epoch_acc.item())# 深拷贝模型if epoch_acc > best_acc:best_acc = epoch_acc  # 更新最佳准确率best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())# 保存当前模型的最佳权重torch.save(model.state_dict(), 'saved_models/best_vgg16_flower_lr0.001_bs32.pth')# 保存模型到文件中print('保存了最优模型')print()  # 换行print(f'最佳验证准确率: {best_acc:.4f}')# 打印最佳验证准确率# 加载最佳模型权重model.load_state_dict(best_model_wts)# 恢复为最佳模型的权重# 返回训练过程的记录history = {'train_losses': train_losses,'val_losses': val_losses,'train_accuracies': train_accuracies,'val_accuracies': val_accuracies}return model, history# 开始训练
num_epochs = 25  # 训练的轮次数
model, history = train_model(model, criterion, optimizer, train_loader, val_loader, num_epochs=num_epochs)
# 调用训练函数，返回训练完成的模型和训练过程的记录

输出： 

代码解析

1. 定义损失函数和优化器：

   • 使用交叉熵损失函数（CrossEntropyLoss）适用于多分类任务。

   • 采用Adam优化器，仅优化全连接层的参数，学习率设为1e-4。

2. 训练函数train_model：

   • 参数：

     • model：待训练的模型。

     • criterion：损失函数。

     • optimizer：优化器。

     • train_loader和val_loader：训练和验证数据加载器。

     • num_epochs：训练轮数。

   • 过程：

     • 初始化最佳模型权重和最佳准确率。

     • 遍历每个epoch，包含训练和验证两个阶段。

     • 在训练阶段，设置模型为训练模式，并进行前向传播、计算损失、反向传播和参数更新。

     • 在验证阶段，设置模型为评估模式，仅进行前向传播和损失计算。

     • 记录每个阶段的损失和准确率，并在验证准确率提升时保存模型权重。

   • 返回：

     • 训练完成后的最佳模型和训练过程中的记录（损失和准确率）。

3. 保存最优模型：

   • 当验证集准确率提升时，使用torch.save保存当前模型权重为

     saved_models/best_vgg16_flower_lr0.001_bs32.pth
     

4. 训练过程的记录：

   • 通过history字典记录每个epoch的训练和验证损失与准确率，便于后续的可视化分析。

4.4 模型导入与预测

在完成模型训练并保存最优模型后，我们将加载该模型，并对新图像进行预测。

from PIL import Image  # 导入 PIL 库，用于打开和处理图像
from torchvision.models import vgg16, VGG16_Weights
import torch.nn as nn
from torchvision import transforms
import torch
# 如果 MPS 可用，选择 "mps"。如果 CUDA 可用，选择 "cuda"。如果两者都不可用，选择 "cpu"。
device = torch.device("mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
batch_size=1
# 1. 实例化模型
# 指定 weights=VGG16_Weights.IMAGENET1K_V1 来获取官方的 ImageNet 预训练权重
model = vgg16(weights=VGG16_Weights.IMAGENET1K_V1)
# 1. 实例化模型结构
model = vgg16(weights=VGG16_Weights.IMAGENET1K_V1)
# - 加载预训练的 VGG16 模型，权重为在 ImageNet 数据集上训练的版本 (IMAGENET1K_V1)num_features = model.classifier[6].in_features
# - 获取 VGG16 最后一层全连接层的输入特征数量model.classifier[6] = nn.Linear(num_features, 5)
# - 修改最后一层全连接层，将其输出节点数设置为 5，对应 5 个类别# 2. 加载最优模型权重
model.load_state_dict(torch.load('saved_models/best_vgg16_flower_lr0.001_bs32.pth', weights_only=True))
# - 从文件 'best_vgg16_flower.pth' 中加载之前训练好的模型权重model = model.to(device)
# - 将模型移动到指定设备（GPU 或 CPU）# 获取类别名称
classes = ['daisy', 'dandelion', 'roses', 'sunflowers', 'tulips']model.eval()
# - 设置模型为评估模式，禁用 Dropout 和 Batch Normalization 的训练行为# 3. 定义预测函数
def predict_image(image_path, model, transform, classes):"""对单张图像进行预测:param image_path: 图像文件路径:param model: 加载了权重的 VGG16 模型:param transform: 数据预处理方法（与训练一致）:param classes: 类别名称列表:return: 预测的类别名称和置信度分数"""image = Image.open(image_path).convert('RGB')# - 打开图像文件，并将其转换为 RGB 模式（确保有 3 个通道）image = transform(image).unsqueeze(0)# - 应用数据预处理方法，将图像转换为 Tensor# - 调用 `unsqueeze(0)` 增加一个批次维度，形状从 (C, H, W) 变为 (1, C, H, W)image = image.to(device)# - 将图像数据移动到指定设备（GPU 或 CPU）with torch.no_grad():# - 禁用梯度计算（推理阶段不需要计算梯度，节省内存并加速）output = model(image)# - 将图像输入模型，获得预测输出_, predicted = torch.max(output, 1)# - 获取预测的类别索引，`torch.max` 返回最大值和对应的索引confidence = torch.softmax(output, 1)[0] * 100# - 对模型的输出应用 softmax 函数，将其转化为概率分布，并转换为百分比形式predicted_class = classes[predicted.item()]# - 使用类别索引从类别列表中获取对应的类别名称confidence_score = confidence[predicted.item()].item()# - 获取预测类别对应的置信度分数return predicted_class, confidence_score# - 返回预测的类别名称和置信度分数# 4. 定义与训练时相同的预处理方式
predict_transform = transforms.Compose([transforms.Resize((224, 224)),# - 调整图像大小为 224x224 像素transforms.ToTensor(),# - 将图像转换为 PyTorch 的张量格式 (C, H, W)transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])# - 使用 ImageNet 数据集的均值和标准差进行标准化
])# 5. 进行预测
test_image_path = '../01.图像分类/dataset/flower_datas/val/daisy/105806915_a9c13e2106_n.jpg'
# - 指定测试图像的路径，请替换为实际的图像文件路径predicted_class, confidence_score = predict_image(test_image_path, model, predict_transform, classes)
# - 调用预测函数，获取预测的类别名称和置信度分数print(f'预测类别: {predicted_class}, 置信度: {confidence_score:.2f}%')
# - 打印预测结果，包括类别名称和置信度百分比

输出打印：

代码解析

1. 实例化模型结构：

   • 重新实例化VGG-16模型，并调整全连接层以适应5类分类任务。

2. 加载最优模型权重：

   • 使用torch.load加载保存的最优模型权重best_vgg16_flower_lr0.001_bs32.pth。

   • 将模型移动到设备，并设置为评估模式（model.eval()）。

3. 定义预测函数predict_image：

   • 接受图像路径、模型、预处理方法和类别名称作为输入。

   • 读取并预处理图像，添加批次维度后移动到设备。

   • 通过模型进行前向传播，获取预测结果。

   • 使用torch.softmax计算置信度分数，并返回预测类别及其置信度。

4. 定义预测时的预处理方式：

   • 与训练时保持一致，确保图像的尺寸和标准化方式相同。

5. 进行预测：

   • 指定测试图像路径，调用预测函数，输出预测类别及其置信度。

4.5 训练过程的可视化

为了更直观地理解模型的训练过程，我们将可视化训练和验证阶段的损失与准确率变化趋势。这有助于判断模型是否出现过拟合或欠拟合，并指导进一步的模型优化。

import matplotlib.pyplot as plt# 绘制训练和验证损失曲线
def plot_loss(history):plt.figure(figsize=(10,5))plt.plot(history['train_losses'], label='训练损失')plt.plot(history['val_losses'], label='验证损失')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('损失')plt.title('训练与验证损失曲线')plt.legend()plt.show()# 绘制训练和验证准确率曲线
def plot_accuracy(history):plt.figure(figsize=(10,5))plt.plot(history['train_accuracies'], label='训练准确率')plt.plot(history['val_accuracies'], label='验证准确率')plt.xlabel('Epoch')plt.ylabel('准确率')plt.title('训练与验证准确率曲线')plt.legend()plt.show()# 调用绘图函数
plot_loss(history)
plot_accuracy(history)

 

代码解析

1. 定义绘图函数plot_loss：

   • 接受history字典，绘制训练和验证阶段的损失曲线。

   • X轴为epoch，Y轴为损失值。

   • 添加图例、标题和标签以增强可读性。

2. 定义绘图函数plot_accuracy：

   • 接受history字典，绘制训练和验证阶段的准确率曲线。

   • X轴为epoch，Y轴为准确率。

   • 添加图例、标题和标签以增强可读性。

3. 调用绘图函数：

   • 使用训练过程中记录的损失和准确率数据，生成可视化图表。

结果展示：

损失曲线示例

准确率曲线示例

可视化分析

通过损失和准确率曲线，我们可以观察到模型在训练过程中的表现：

• 损失曲线：训练损失逐渐下降，验证损失在初期下降后趋于平稳，甚至可能出现轻微上升，提示模型可能开始过拟合。

• 准确率曲线：训练准确率逐渐提高，验证准确率在初期上升后趋于稳定，验证集准确率的提升放缓，进一步提示过拟合的风险。

这些观察结果有助于我们决定是否需要进一步优化模型，如引入正则化、调整学习率或增加数据量等。

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模型优化与防止过拟合

在前面的训练过程中，我们可能会观察到模型在训练集上表现良好，但在验证集上表现欠佳，或验证集准确率不再提升，甚至下降。这通常是由于模型过于复杂或数据不足导致的过拟合现象。为了解决这些问题，我们可以采取以下几种优化方法：

1. 使用更深层的预训练模型

虽然VGGNet已经表现出色，但在某些任务中，使用更深层或更先进的模型（如ResNet、DenseNet等）可能会带来更好的性能。然而，考虑到本文的教学目的，我们继续使用VGGNet。

2. 数据增强

数据增强通过对训练图像进行随机变换，增加数据的多样性，提升模型的泛化能力。我们已经在数据预处理中应用了一些基本的数据增强技术，如随机水平翻转和随机旋转。根据需要，还可以添加更多的数据增强方法，如随机裁剪、颜色抖动等。

train_transforms = transforms.Compose([transforms.Resize((224, 224)),# - 调整图像大小为 224x224 像素# - 目的：统一图像输入尺寸，方便后续模型处理transforms.RandomHorizontalFlip(),# - 随机水平翻转图像，概率为 50%# - 目的：通过翻转图像增强数据集，增加模型的鲁棒性transforms.RandomRotation(15),# - 随机旋转图像，旋转角度范围在 ±15 度之间# - 目的：使模型更具泛化能力，适应旋转视角的变化transforms.ColorJitter(brightness=0.2, contrast=0.2, saturation=0.2, hue=0.2),# - 颜色抖动，随机调整图像的亮度、对比度、饱和度和色调# - 参数解释：#   brightness=0.2：亮度随机变化范围为 ±20%#   contrast=0.2：对比度随机变化范围为 ±20%#   saturation=0.2：饱和度随机变化范围为 ±20%#   hue=0.2：色调随机变化范围为 ±20%（值范围 -0.5 到 0.5）# - 目的：增强数据集的多样性，让模型适应不同光线和色彩条件transforms.ToTensor(),# - 将图像转换为 PyTorch 张量（Tensor），并归一化到 [0, 1] 范围# - 转换格式为 (H, W, C) → (C, H, W)，适配 PyTorch 模型输入transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])# - 按照 ImageNet 数据集的均值和标准差对图像进行标准化# - 均值：[0.485, 0.456, 0.406]（分别对应 RGB 三个通道）# - 标准差：[0.229, 0.224, 0.225]（分别对应 RGB 三个通道）# - 目的：让模型适应 ImageNet 预训练模型的输入要求，加速收敛并提高准确性
])

4. 引入正则化技术

Dropout 是一种有效的正则化技术，通过在训练过程中随机丢弃一部分神经元，防止模型过拟合。VGGNet的全连接层已经包含了Dropout层，但我们可以根据需要调整其概率或在卷积层中引入额外的Dropout层。

# 修改全连接层，调整Dropout概率
model.classifier = nn.Sequential(nn.Linear(25088, 4096),nn.ReLU(),nn.Dropout(0.5),  # Dropout概率调整为0.5nn.Linear(4096, 4096),nn.ReLU(),nn.Dropout(0.5),nn.Linear(4096, 5)
)
model = model.to(device)

5. 早停法（Early Stopping）

早停法通过监控验证集的性能，在验证集性能不再提升时提前停止训练，防止模型过拟合。

import torch
import torch.optim as optim
from tqdm import tqdm
import copy# 定义使用早停法的模型训练函数
def train_model_with_early_stopping(model, criterion, optimizer, train_loader, val_loader, num_epochs=25, patience=5):"""使用早停法训练模型:param model: 神经网络模型:param criterion: 损失函数:param optimizer: 优化器:param train_loader: 训练集数据加载器:param val_loader: 验证集数据加载器:param num_epochs: 总训练轮次:param patience: 早停的耐心值（连续多少个 epoch 验证准确率不提升时停止训练）:return: 训练完成的模型和训练记录"""best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())# 保存最佳模型的权重best_acc = 0.0  # 初始化最佳验证准确率epochs_no_improve = 0  # 连续验证准确率未提升的 epoch 数# 用于记录每个 epoch 的损失和准确率train_losses = []val_losses = []train_accuracies = []val_accuracies = []for epoch in range(num_epochs):print(f'Epoch {epoch+1}/{num_epochs}')  # 打印当前 epochprint('-' * 10)  # 分隔线for phase in ['train', 'val']:if phase == 'train':model.train()  # 设置模型为训练模式dataloader = train_loader  # 使用训练集数据加载器else:model.eval()  # 设置模型为评估模式dataloader = val_loader  # 使用验证集数据加载器running_loss = 0.0  # 累积损失running_corrects = 0  # 累积正确预测数# 遍历每个批次for inputs, labels in tqdm(dataloader, desc=f'{phase}'):inputs = inputs.to(device)  # 将输入数据移动到指定设备（GPU 或 CPU）labels = labels.to(device)  # 将标签移动到指定设备# 前向传播with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):outputs = model(inputs)  # 计算模型输出_, preds = torch.max(outputs, 1)  # 获取预测类别loss = criterion(outputs, labels)  # 计算损失# 反向传播和优化（仅训练阶段）if phase == 'train':optimizer.zero_grad()  # 清空梯度loss.backward()  # 反向传播计算梯度optimizer.step()  # 更新模型参数# 累积损失和正确预测数running_loss += loss.item() * inputs.size(0)# - `loss.item()` 是批次的平均损失，需要乘以批次大小恢复总损失running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)# - 统计正确预测的样本数# 计算每个 epoch 的平均损失和准确率epoch_loss = running_loss / len(dataloader.dataset)# - 总损失除以数据集大小，得到平均损失epoch_acc = running_corrects.double() / len(dataloader.dataset)# - 正确预测数除以数据集大小，得到准确率print(f'{phase} Loss: {epoch_loss:.4f} Acc: {epoch_acc:.4f}')# 打印当前阶段的损失和准确率# 记录损失和准确率if phase == 'train':train_losses.append(epoch_loss)train_accuracies.append(epoch_acc.item())else:val_losses.append(epoch_loss)val_accuracies.append(epoch_acc.item())# 检查是否为最佳模型if epoch_acc > best_acc:best_acc = epoch_acc  # 更新最佳验证准确率best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())# 保存当前模型的最佳权重torch.save(model.state_dict(), 'best_vgg16_flower.pth')print('保存了最优模型')epochs_no_improve = 0  # 重置耐心计数else:epochs_no_improve += 1  # 验证准确率未提升# 如果连续未提升的 epoch 数达到耐心值，则触发早停if epochs_no_improve >= patience:print('早停法触发，停止训练')model.load_state_dict(best_model_wts)# 加载最佳模型权重history = {'train_losses': train_losses,'val_losses': val_losses,'train_accuracies': train_accuracies,'val_accuracies': val_accuracies}return model, historyprint()  # 每个 epoch 结束后换行print(f'最佳验证准确率: {best_acc:.4f}')# 打印最佳验证准确率model.load_state_dict(best_model_wts)# 加载最佳模型权重# 保存训练过程的记录history = {'train_losses': train_losses,  # 每个 epoch 的训练损失'val_losses': val_losses,  # 每个 epoch 的验证损失'train_accuracies': train_accuracies,  # 每个 epoch 的训练准确率'val_accuracies': val_accuracies  # 每个 epoch 的验证准确率}return model, history  # 返回最佳模型和训练记录# 设置优化器为 AdamW
optimizer = optim.AdamW(model.parameters(), lr=1e-3, weight_decay=1e-2)
# - 使用 AdamW 优化器
# - 参数：
#   - `lr=1e-3`：学习率设置为 0.001
#   - `weight_decay=1e-2`：权重衰减因子，用于 L2 正则化，防止过拟合# 使用早停法进行训练
model, history = train_model_with_early_stopping(model, criterion, optimizer, train_loader, val_loader, num_epochs=25, patience=5
)

6. 模型优化总结

通过上述优化方法，我们可以显著提升VGGNet在五类鲜花分类任务中的性能，具体包括：

• 利用预训练模型：加速训练过程，提升初始性能。

• 数据增强：增加数据多样性，提升模型泛化能力。

• 学习率调度：动态调整学习率，优化训练过程。

• 正则化技术：防止模型过拟合，提升验证集性能。

• 早停法：避免过度训练，保存最佳模型。

这些优化方法在实际应用中相辅相成，共同提升模型的整体表现。

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总结与展望

本文详细介绍了VGGNet的架构及其在图像分类任务中的应用，特别是基于预训练模型进行五类鲜花分类的实战案例。通过数据准备与预处理、模型实例化与参数调整、模型训练与保存最优模型、模型导入与预测以及训练过程的可视化，全面展示了如何在PyTorch 2.5.1与TorchVision 0.20.1环境下高效应用VGGNet。

尽管VGGNet在图像分类任务中表现出色，但其庞大的参数量和计算资源需求也带来了挑战。随着深度学习技术的不断进步，更多高效且精确的网络架构如ResNet、DenseNet等被提出，未来的研究将继续探索更为高效的网络结构和训练方法。

通过本文的学习，读者不仅掌握了VGGNet的基本知识和实现方法，还了解了如何在实际项目中优化模型，提升其性能。希望本文能为您的深度学习之路提供有力的支持和指导。

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参考文献

1. Simonyan, K., & Zisserman, A. (2014). Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition. arXiv:1409.1556

2. PyTorch Documentation. torchvision.models.VGG. Retrieved from Models and pre-trained weights — Torchvision 0.20 documentation

3. Wikipedia. VGGNet. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/VGG_net

4. CSDN博客. VGGNet详解与实现. Retrieved from https://blog.csdn.net

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