构建自定义CNN模型：识别COVID-19

本文让我们从头开始，通过训练和测试我们的自定义图像数据集，来构建我们自己的自定义CNN（卷积神经网络）模型。

我们将使用验证集方法来训练模型，从而将我们的数据集划分为训练、验证和测试数据集。

在结束时，你将能够为 COVID－19 构建你自己的自定义 CNN 模型，通过使用你自己的数据集进行训练来执行多类图像分类！

此外，我们还将通过获取其分类报告和混淆矩阵，在验证和测试数据集上彻底评估训练模型。此外，我们还将使用 Streamlit 创建一个漂亮而简单的前端，并将我们的模型与 Web 应用程序集成。

目前已经使用 Google Colab 进行所有实施。此外，已将数据集上传到项目的Google drive 。Streamlit Web 应用程序可以从 Google Colab 轻松启动。

那么，让我们开始吧！

目录

· 介绍

· 应用

· 执行

· 结论

介绍

首先，自定义数据集是你自己准备的数据集，就像你去外面玩并拍摄照片以收集你感兴趣的图像一样，或者从知名网站下载并使用开源图像数据集来获取数据集，例如 Kaggle、GitHub 等。

总而言之，它是你自己的数据集，其中你将所需类的图像存储在不同的文件夹中——每个类的文件夹。

在本文中，将解释如何使用 TensorFlow 在 CT 扫描的 COVID 多类数据集之一上为 COVID－19 构建 CNN 模型。可以直接从这里下载。现在，暂停并确保你下载数据集以跟随实施。

给定的 Kaggle 数据集包括患有新型 COVID－19、其他肺部疾病和健康患者的患者的胸部 CT 扫描图像。对于这三个类别中的每一个，都有多个患者，并且对于每个类别，都有相应的多个 CT 扫描图像。

我们将使用这些 CT 扫描图像来训练我们的 CNN 模型，以识别给定的 CT 扫描是 COVID 患者、患有除 COVID 以外的其他肺部疾病的患者，还是健康患者的 CT 扫描。该问题包括 3 类，即：COVID、健康和其他肺部疾病，简称为“其他”。

应用

我们知道，进行 RTPCR 检测 COVID 是有风险的，因为拭子检测通过鼻子到达喉咙，导致咳嗽，从而将病毒颗粒传播到空气中，从而危及卫生工作者的生命。

因此，研究人员表示，CT 扫描比此类拭子测试更安全。此外，建议在对 COVID 阳性患者进行 RTPCR 测试后进行 CT 扫描测试。

这就是我们现在正在做的项目可以证明对医学界有帮助的地方。

执行

Step－1：图像预处理

Step－2：训练－测试－验证拆分

Step－3：模型构建

Step－4：模型评估

Step－5：构建 Streamlit Web 应用程序

首先，让我们导入所有需要的包，如下所示：

from tensorflow．keras．layers import Input， Lambda， Dense， Flatten，Dropout，Conv2D，MaxPooling2D

from tensorflow．keras．models import Model

from tensorflow．keras．preprocessing import image

from sklearn．metrics import accuracy＿score，classification＿report，confusion＿matrix

from tensorflow．keras．preprocessing．image import ImageDataGenerator

from sklearn．model＿selection import train＿test＿split

from tensorflow．keras．models import Sequential

import numpy as np

import pandas as pd

import os

import cv2

import matplotlib．pyplot as plt

Step－1 图像预处理

每当我们处理图像数据时，图像预处理是第一步，也是最关键的一步。

在这里，我们将所有图像重新缩放为所需的大小（在这个项目中为 100×100）并将它们除以 255 进行标准化。

根据我们数据集的目录结构，如上一节所述，我们必须遍历文件夹 2（患者文件夹）中存在的每个图像，该图像进一步存在于文件夹 1（类别文件夹：COVID、健康或其他）。

因此，相同的代码是这样的：

＃ re－size all the images to this

IMAGE＿SIZE ＝ （100，100）

path＝＂／content／drive／MyDrive／MLH Project／dataset＂

data＝［］

c＝0

for folder in os．listdir（path）：

sub＿path＝path＋＂／＂＋folder

for folder2 in os．listdir（sub＿path）：

sub＿path2＝sub＿path＋＂／＂＋folder2

for img in os．listdir（sub＿path2）：

image＿path＝sub＿path2＋＂／＂＋img

img＿arr＝cv2．imread（image＿path）

try：

img＿arr＝cv2．resize（img＿arr，IMAGE＿SIZE）

data．append（img＿arr）

except：

c＋＝1

continue

print（＂Number of images skipped＝ ＂，c）

注意：在案例中可能会跳过两个图像。我们可以忽略它们，因为只是 2 张图像，而不是跳过大量的图像。

下面的代码执行图像的标准化：

x＝np．array（data）

x＝x／255．0

现在，由于我们的自定义数据集在文件夹中有图像，我们如何获取标签？

使用 ImageDataGenerator 以及以下代码实现：

datagen ＝ ImageDataGenerator（rescale ＝ 1．／255）

dataset ＝ datagen．flow＿from＿directory（path， target＿size ＝ IMAGE＿SIZE， batch＿size ＝ 32， class＿mode ＝ ＇sparse＇）

此外，要注意类的索引并将这些类分配为标签，请使用以下代码：

dataset．class＿indices

y＝dataset．classes

y．shape

运行上面的代码，你将观察到以下索引已用于相应的类：

注意：在这一步的最后，所有的图像都将被调整到100×100，尽管它们是CT扫描，但它们已被作为彩色图像提供在选定的Kaggle数据集中。这就是为什么当我们在下一节中尝试查看 x＿train，x＿val 和 x＿test 的形状时，会得到100x100x3。这里，3表示彩色图像（R－G－B）

Step－2：训练－测试－验证拆分

在这一步中，我们将数据集划分为训练集、测试集和验证集，以便使用验证集方法来训练我们的模型，以便在 COVID、健康或其他的 CT 扫描中进行分类。

我们可以使用传统的 sklearn 来实现。

x＿train，x＿test，y＿train，y＿test＝train＿test＿split（x，y，test＿size＝0．1）

x＿train，x＿val，y＿train，y＿val＝train＿test＿split（x＿train，y＿train，test＿size＝0．2）

此外，使用以下代码查看每个数据集的大小：

x＿train．shape，y＿train．shape

x＿val．shape，y＿val．shape

x＿test．shape，y＿test．shape

从上面的代码中，你将观察到 3002 幅图像属于训练集，751 幅图像属于验证集，418 幅图像属于测试集。

Step－3 模型构建

现在，我们都准备好从头开始为 COVID－19 编码我们的 CNN 模型了。为此，我们只需要不断添加层，主要是 Conv2D 来提取特征，MaxPooling2D 来执行图像的下采样。

此外，还使用了 BatchNormalization 层来提高模型在训练和验证准确性方面的性能。

因此，我们可以编写我们自己的 CNN 模型，如下所示：

model＝Sequential（）

＃covolution layer

model．add（Conv2D（32，（3，3），activation＝＇relu＇，input＿shape＝（100，100，3）））

＃pooling layer

model．add（MaxPooling2D（2，2））

model．add（BatchNormalization（））

＃covolution layer

model．add（Conv2D（32，（3，3），activation＝＇relu＇））

＃pooling layer

model．add（MaxPooling2D（2，2））

model．add（BatchNormalization（））

＃covolution layer

model．add（Conv2D（64，（3，3），activation＝＇relu＇））

＃pooling layer

model．add（MaxPooling2D（2，2））

model．add（BatchNormalization（））

＃covolution layer

model．add（Conv2D（64，（3，3），activation＝＇relu＇））

＃pooling layer

model．add（MaxPooling2D（2，2））

model．add（BatchNormalization（））

＃i／p layer

model．add（Flatten（））

＃o／p layer

model．add（Dense（3，activation＝＇softmax＇））

model．summary（）

卷积神经网络由几个卷积层和池化层组成。我添加了四个 Conv2D 和 MaxPooling 层。Conv2D 层的第一个参数是我们必须在其中进行大量操作以达到最佳模型。

你可以从 Keras 官方文档中了解更多关于 Conv2D、MaxPooling2D 和 BatchNormalization 的语法。

添加卷积层和最大池化层后，包含了 BatchNormalization 层，然后使用 Flatten（） 函数添加了输入层。

这里没有隐藏层，因为它们对提高模型在训练期间的性能没有用处。

最后，添加了输出层，它确实给了我们最后的输出！Dense（） 函数也用于相同的目的。它需要参数 3，因为我们有 3 个类别：COVID、健康和其他。

此外，这里使用的激活函数是 softmax 函数，因为这是一个多类问题。

这是模型架构。现在，在我们训练它之前，我们必须按如下方式编译它：

使用的优化器是常见的 Adam 优化器。由于所考虑的数据集的标签是分类的而不是独热编码的，我们必须选择稀疏分类交叉熵损失函数。

提前停止用于避免过度拟合。当它开始过度拟合时，它会停止训练我们的模型，而过拟合又通过验证损失的突然增加被识别出来。

＃compile model：

model．compile（optimizer＝＇adam＇，loss＝＇sparse＿categorical＿crossentropy＇，metrics＝［＇accuracy＇］）

提前停止可用于避免过度拟合。这样做是因为我们不知道我们的模型必须训练多少个 epoch。

from tensorflow．keras．callbacks import EarlyStopping

early＿stop＝EarlyStopping（monitor＝＇val＿loss＇，mode＝＇min＇，verbose＝1，patience＝5）

＃Early stopping to avoid overfitting of model

现在，让我们最终训练我们的自定义 CNN 模型，比如 30 个 epoch：

history＝model．fit（x＿train，y＿train，validation＿data＝（x＿val，y＿val），epochs＝30，callbacks＝［early＿stop］，shuffle＝True）

在第 16 个 epoch 遇到了提前停止，因此模型只训练了 16 个 epoch，在结束时它显示出 100％ 的训练准确度和 78．83％ 的验证准确度。

Step－4 模型评估

可视化我们的模型训练的最佳方法是使用损失和准确度图。

以下代码可用于获取我们训练的模型的损失和准确度图：

＃loss graph

plt．plot（history．history［＇loss＇］，label＝＇train loss＇）

plt．plot（history．history［＇val＿loss＇］，label＝＇val loss＇）

plt．legend（）

plt．savefig（＇loss－graph．png＇）

plt．show（）

＃accuracies

plt．plot（history．history［＇accuracy＇］， label＝＇train acc＇）

plt．plot（history．history［＇val＿accuracy＇］， label＝＇val acc＇）

plt．legend（）

plt．savefig（＇acc－graph．png＇）

plt．show（）

准确率和损失图如下：

验证数据集的分类报告和混淆矩阵：

y＿val＿pred＝model．predict（x＿val）

y＿val＿pred＝np．argmax（y＿val＿pred，axis＝1）

print（classification＿report（y＿val＿pred，y＿val））

confusion＿matrix（y＿val＿pred，y＿val）

因此，可以清楚地得出结论，我们用于 COVID CT 扫描的 CNN 模型是最好的。它显示了其他肺部疾病类别的平均表现。

然而，它对健康患者的表现相对较差。此外，我们的模型在验证数据集上显示出 79％ 的准确率。

测试数据集的分类报告和混淆矩阵，这对我们的模型来说是全新的：

y＿pred＝model．predict（x＿test）

y＿pred＝np．argmax（y＿pred，axis＝1）

print（classification＿report（y＿pred，y＿test））

confusion＿matrix（y＿pred，y＿test）

它在测试数据集上显示了 75％ 的准确度，与验证数据集的性能相似。

总的来说，我们可以得出结论，我们已经从头开始为 COVID－19 开发了一个现实的 CNN 模型。

现在让我们使用以下代码保存模型：

model．save（＇／content／drive／MyDrive／MLH Project／model－recent．h5＇）

Step－5 构建 Streamlit Web 应用程序

在这一步中，我们将使用 Streamlit 创建一个前端，用户可以在其中上传胸部 CT 扫描的图像。单击“预测”按钮将输入图像预处理为 100×100，这是我们用于 COVID－19 的 CNN 模型的输入形状，然后将其发送到我们的模型。

为了检查我们的模型预测该图像是哪个类别，我们使用 np．argmax（） 函数获得对应于最大值的索引，从而根据步骤 1 表中讨论的标签索引得出结论。

首先，我们必须安装 Streamlit 并导入 ngrok：

！pip install streamlit －－quiet

！pip install pyngrok＝＝4．1．1 －－quiet

from pyngrok import ngrok

然后是实际代码。

这里，我们主要加载保存的模型——h5文件，并使用它进行预测。模型文件的名称是 model－recent．h5。可以选择直接从本地系统上传图像并检查其类别 － 如果 CT 扫描是 COVID 或健康或其他肺部疾病。

st． button（‘Predict’） 创建一个写有“Predict”的按钮，并在用户单击按钮时返回 True。st．title（） 使其参数中的文本以深色粗体显示。

这些是要讨论的一些 Streamlit 功能。

％％writefile app．py

import streamlit as st

import tensorflow as tf

import numpy as np

from PIL import Image ＃ Strreamlit works with PIL library very easily for Images

import cv2

model＿path＝＇／content／drive／MyDrive／MLH Project／model－recent．h5＇

st．title（＂COVID－19 Identification Using CT Scan＂）

upload ＝ st．file＿uploader（＇Upload a CT scan image＇）

if upload is not None：

file＿bytes ＝ np．asarray（bytearray（upload．read（））， dtype＝np．uint8）

opencv＿image ＝ cv2．imdecode（file＿bytes， 1）

opencv＿image ＝ cv2．cvtColor（opencv＿image，cv2．COLOR＿BGR2RGB）

＃ Color from BGR to RGB

img ＝ Image．open（upload）

st．image（img，caption＝＇Uploaded Image＇，width＝300）

if（st．button（＇Predict＇））：

model ＝ tf．keras．models．load＿model（model＿path）

x ＝ cv2．resize（opencv＿image，（100，100））

x ＝ np．expand＿dims（x，axis＝0）

y ＝ model．predict（x）

ans＝np．argmax（y，axis＝1）

if（ans＝＝0）：

st．title（＇COVID＇）

elif（ans＝＝1）：

st．title（＇Healthy＇）

else：

st．title（＇Other Pulmonary Disorder＇）

最后，从以下位置获取 Web 应用程序的 URL：

！nohup streamlit run app．py ＆

url ＝ ngrok．connect（port＝＇8501＇）

url

将此 URL 粘贴到 Chrome 网络浏览器中以查看我们漂亮的应用程序。

结果

使用浏览按钮上传图像然后单击预测按钮后，你的 Web 应用程序应如下所示。

结论

因此，我们使用我们的数据集成功构建并训练了我们自己的 COVID－19 CNN 模型！相同的方法可用于两个或更多类。你所要做的就是更改输出层或模型架构的最后一层中的类数量。

原文标题:构建自定义CNN模型：识别COVID-19