Python实现简单的图像识别

一、什么是图像识别

图像识别是一种模式识别技术，也称为计算机视觉。其可以通过计算机程序自动分析图片中的内容，并进行分类、识别等操作。图像识别是人工智能的一个重要领域，目前已被广泛应用于人脸识别、自动驾驶、安防监控等领域。

二、Python图像识别库介绍

Python是一种强大的编程语言，也被广泛应用于机器学习、数据分析、人工智能等领域。在Python中，有多个图像识别相关的库，其中比较常用的有：

1、OpenCV：OpenCV是一个流行的计算机视觉库，其支持多种编程语言，并且提供了很多用于图像处理、分析和识别的算法和工具。

2、Pillow：Pillow是Python Imaging Library（PIL）的一个分支，其提供了便捷的图像处理和图像格式转换等功能。

3、Keras：Keras是一个高层次的人工智能库，其提供了多种图像识别算法和模型，包括卷积神经网络、深度学习等。

三、Python实现图像分类

为了演示Python实现图像识别的过程，我们以图像分类为例。具体而言，我们将使用OpenCV和Keras库来训练一个深度学习模型，以将一张图片归类为人脸或非人脸。

1. 数据集准备

图像识别的基础是数据集，我们需要使用足够的数据集来训练模型。在这个例子中，我们将使用MIT的人脸数据集，包含了数千张不同人脸的照片，以及一些非人脸的照片。

import cv2
import numpy as np
import os

people = ["Ben Affleck", "Elton John", "Jerry Seinfield", "Madonna", "Mindy Kaling"]
DIR = r"./faces/"
features = []
labels = []

def create_data():
    for person in people:
        path = os.path.join(DIR, person)
        label = people.index(person)
        for img in os.listdir(path):
            img_path = os.path.join(path, img)
            img_array = cv2.imread(img_path)
            gray = cv2.cvtColor(img_array, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

            # 把gray的照片压缩到(50,50)
            roi = cv2.resize(gray, (50, 50))
            features.append(roi)
            labels.append(label)

create_data()

代码解释：

我们首先导入必需的库，包括OpenCV、numpy和os。在该代码段中，我们定义了几个变量，包括people（人名列表）、DIR（照片存储路径）、features（图像集合）和labels（标签集合）。

随后，我们遍历人名列表，并通过os库找到对应人名文件夹中的所有照片。图像在读取后，我们将其转换为灰度图像，并将其大小压缩到(50，50)。最后，我们将灰度图像存储到特征向量集合中，并将对应的标签存储在标签集合中。

在该代码段执行完毕后，我们就得到了两个集合，包括features和labels。其中，features是一个包含所有图像特征向量的集合，labels是一个包含所有标签的集合，其对应于每个图像的所属类别。

2. 训练模型

有了准备好的数据集之后，我们就可以开始训练我们的模型了。在这个例子中，我们将使用Keras库中的Sequential模型来搭建深度学习模型，包括卷积层、激活函数、池化层、全连接层等。

import tensorflow as tf
from keras.utils import np_utils

features = np.array(features).reshape(-1, 50, 50, 1) # -1自动设定数组行数
labels = np.array(labels)

# 标签独热编码
labels = np_utils.to_categorical(labels)

model = tf.keras.models.Sequential()
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64, (3, 3), input_shape=features.shape[1:])) # 卷积层
model.add(tf.keras.layers.Activation("relu")) # 激活函数
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) # 池化层

model.add(tf.keras.layers.Conv2D(64, (3, 3))) # 第二个卷积层
model.add(tf.keras.layers.Activation("relu")) # 第二个激活函数
model.add(tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) # 第二个池化层

model.add(tf.keras.layers.Flatten()) # 展平
model.add(tf.keras.layers.Dense(64)) # 全连接层
model.add(tf.keras.layers.Activation('relu')) # 全连接层激活函数

model.add(tf.keras.layers.Dense(2)) # 输出层，2种分类
model.add(tf.keras.layers.Activation('softmax')) # 输出层激活函数

model.compile(optimizer='adam',
              loss='binary_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

model.fit(features, labels, epochs=10, validation_split=0.2)

代码解释：

我们首先导入必要的库，包括tensorflow和Keras中的np_utils。在该代码段开始之前，我们需要先对特征集合进行一些预处理操作。我们使用np.array函数将特征向量转换为数组，并使用reshape函数来将它们转换为适合模型输入的形状。

随后，我们使用np_utils库的to_categorical函数对标签进行独热编码。该操作将原始标签转换为二进制数组的形式，以便于模型的训练。

接下来，我们开始搭建深度学习模型。在该代码段中，我们使用Keras库的Sequential模型，并通过Add方法添加多个层次。包括两个卷积层、激活函数、池化层、展平层、全连接层和输出层。

在模型搭建完毕之后，我们使用compile方法来配置模型的优化器、损失函数和评估指标。最后，通过fit方法来训练我们的模型，包括传入特征向量集合、标签集合、训练轮次等参数。在训练完成之后，我们就得到了一个训练好的深度学习模型。

3. 图像分类

有了训练好的模型之后，我们就可以使用它来进行图像分类了。在这个例子中，我们将以Kerala Blasters Women FC队员的一张照片为例，来尝试对其进行分类。

def classify_image(img_name):
    img_path = os.path.join(DIR, "test", img_name)
    img_array = cv2.imread(img_path)
    gray = cv2.cvtColor(img_array, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    roi = cv2.resize(gray, (50, 50))
    features = np.array(roi).reshape(-1, 50, 50, 1)

    # 加载模型
    model = tf.keras.models.load_model('models/model.h5')

    prediction = model.predict([features])
    prediction_label = people[int(prediction[0][0])]

    # 如果预测为人脸
    if prediction_label == "face":
        cv2.putText(img_array, prediction_label, (20, 20), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (0, 255, 0), 2)
    # 如果预测为非人脸
    else:
        cv2.putText(img_array, prediction_label, (20, 20), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (0, 0, 255), 2)

    return img_array

img = classify_image("face_test.jpg")
cv2.imshow("Result", img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

代码解释：

该代码段首先定义了一个classify_image函数，用于对输入的照片进行预测。该函数首先读取输入的图像文件，并将其大小压缩到(50，50)的灰度图像。接下来，我们将其转换为特征向量，并使用训练好的模型进行预测。最终，我们将预测结果的标签添加到图像中，并将其显示在窗口中。

四、总结

本文介绍了Python实现简单的图像分类的过程。我们首先介绍了什么是图像识别，以及Python图像识别库的一些介绍。随后，我们演示了如何通过OpenCV和Keras实现图像分类过程，包括数据集准备、模型训练和图像分类。最后，我们给出了一个完整的代码示例，以便读者学习和参考。