使用 VGG16 进行 MNIST 数字识别的迁移学习-Python教程-PHP中文网

使用 VGG16 进行 MNIST 数字识别的迁移学习

碧海醫心

发布： 2025-08-19 19:12:16

原创

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使用 vgg16 进行 mnist 数字识别的迁移学习

本文档旨在指导读者如何利用 VGG16 模型进行 MNIST 手写数字识别的迁移学习。我们将重点介绍如何构建模型，加载预训练权重，以及解决可能出现的 GPU 配置问题。本文将帮助您理解迁移学习的基本原理，并提供一个可运行的示例，用于 MNIST 数据集的分类。

使用 VGG16 进行 MNIST 数字识别的迁移学习

迁移学习是一种强大的技术，它允许我们将一个在大型数据集上训练过的模型（例如，ImageNet）的知识迁移到另一个相关但更小的数据集上（例如，MNIST）。这种方法可以显著提高模型的性能，尤其是在数据量有限的情况下。本文将介绍如何使用 VGG16 模型进行 MNIST 手写数字识别的迁移学习。

准备工作

在开始之前，请确保您已安装以下库：

TensorFlow
Keras
NumPy

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.applications import VGG16
from tensorflow.keras import layers, models
import numpy as np

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构建迁移学习模型

以下代码展示了如何使用 VGG16 模型作为基础模型，并添加自定义层以适应 MNIST 数据集。

class VGG16TransferLearning(tf.keras.Model):
    def __init__(self, base_model, models):
        super(VGG16TransferLearning, self).__init__()
        # base model
        self.base_model = base_model

        # other layers
        self.flatten = tf.keras.layers.Flatten()
        self.dense1 = tf.keras.layers.Dense(512, activation='relu')
        self.dense2 = tf.keras.layers.Dense(512, activation='relu')
        self.dense3 = tf.keras.layers.Dense(10)
        self.layers_list = [self.flatten, self.dense1, self.dense2, self.dense3]

        # instantiate the base model with other layers
        self.model = models.Sequential(
            [self.base_model, *self.layers_list]
        )

    def call(self, *args, **kwargs):
        out = args[0]
        for layer in self.model.layers:
            out = layer(out)
        return out

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在这个类中，VGG16TransferLearning 继承自 tf.keras.Model。__init__ 方法初始化了 VGG16 基础模型，以及一些自定义的 Dense 层。call 方法定义了模型的前向传播过程。

加载 VGG16 预训练权重

在实例化 VGG16TransferLearning 类之前，我们需要加载 VGG16 模型并冻结其权重，以防止在训练过程中修改预训练的权重。

# 假设 x_train[0].shape 是 (75, 75, 3)
input_shape = (75, 75, 3)  # 确保输入形状与您的数据一致

base_model = VGG16(weights="imagenet", include_top=False, input_shape=input_shape)
base_model.trainable = False  # 冻结 VGG16 的权重

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VGG16(weights="imagenet", include_top=False, input_shape=x_train[0].shape) 这行代码加载了在 ImageNet 上预训练的 VGG16 模型。include_top=False 表示我们不包含 VGG16 的顶层分类器，因为我们需要根据 MNIST 数据集进行自定义。 base_model.trainable = False 冻结了 VGG16 模型的权重，防止在训练过程中更新这些权重。

编译和训练模型

接下来，我们将实例化 VGG16TransferLearning 类，编译模型，并使用 MNIST 数据集进行训练。

model = VGG16TransferLearning(base_model, models)

model.compile(loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
              optimizer=tf.keras.optimizers.legacy.Adam(),
              metrics=['accuracy'])

# 假设 x_train, y_train, x_test, y_test 已经加载
# 并且 x_train 的形状是 (num_samples, 75, 75, 3)
# 并且 y_train 是整数标签
model.fit(x_train, y_train, epochs=10, validation_data=(x_test, y_test))

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model.compile 方法配置了模型的训练过程，包括损失函数、优化器和评估指标。model.fit 方法使用训练数据训练模型，并使用验证数据评估模型的性能。

GPU 配置问题

在运行上述代码时，可能会遇到 GPU 配置问题，导致 Kernel 死机。这通常是因为 TensorFlow 没有正确检测到 GPU。以下是一些可能的解决方案：

检查 TensorFlow 是否检测到 GPU：

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```
print("Num GPUs Available: ", len(tf.config.list_physical_devices('GPU')))
```
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如果输出为 0，则表示 TensorFlow 没有检测到 GPU。
安装正确的 TensorFlow 版本：

确保您安装了与您的 GPU 兼容的 TensorFlow 版本。例如，如果您使用的是 NVIDIA GPU，则需要安装 tensorflow-gpu 版本。
配置 CUDA 和 cuDNN：

确保您已正确安装和配置 CUDA 和 cuDNN，并且它们的版本与 TensorFlow 兼容。
设置环境变量：

设置以下环境变量：
- CUDA_HOME: CUDA 的安装路径。
- LD_LIBRARY_PATH: CUDA 库的路径。