Tensorflow 简明教程

TensorFlow - Convolutional Neural Networks

在了解机器学习概念后，我们现在可以将重点转移到深度学习概念中。深度学习是机器学习的一部分内容，被认为是研究人员在近几十年中迈出的关键一步。深度学习实施的示例包括图像识别和语音识别的应用。

以下是两种重要的深度神经网络类型 -

Convolutional Neural Networks
Recurrent Neural Networks

在本章中，我们将重点关注 CNN，也就是卷积神经网络。

Convolutional Neural Networks

卷积神经网络设计用于通过多个数组层处理数据。此类神经网络用于图像识别或面部识别等应用。CNN 和任何其他普通神经网络的主要区别在于，CNN 将输入作为二维数组，并且直接在图像上进行操作，而不是专注于其他神经网络关注的特征提取。

CNN 的优势方法包括解决识别问题。诸如 Google 和 Facebook 等顶级公司已投资于识别项目的研发中，以更快的速度完成活动。

卷积神经网络采用了三个基本思想 -

Local respective fields
Convolution
Pooling

让我们详细理解这些想法。

CNN 利用输入数据内存在的空间关联。神经网络的每个并发层都会连接一些输入神经元。这个特定区域被称为局部感受视野。局部感受视野专注于隐藏神经元。隐藏神经元在提到的视野内处理输入数据，而不了解超出特定边界的变化。

以下是有关生成局部感受视野的图表表示 −

如果观察上面的表示，每个连接都会学习一个隐藏神经元的权重，该权重与从一层到另一层的移动相关。在这里，单个神经元会不时地进行移动。这个过程称为“卷积”。

从输入层到隐含特征图的连接映射被定义为“共享权重”，而包含的偏差被称为“共享偏差”。

CNN 或卷积神经网络使用池化层，这些层是紧接 CNN 声明之后放置的层。它将用户输入作为来自卷积网络的特征图，并准备一个浓缩特征图。池化层有助于创建包含前一层神经元的层。

TensorFlow Implementation of CNN

在本节中，我们将了解 TensorFlow 的 CNN 实现。要求整个网络执行和适当尺寸的步骤如下所示：

Step 1 − 包括 TensorFlow 和数据集模块的必要模块，这些模块需要计算 CNN 模型。

import tensorflow as tf
import numpy as np
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

Step 2 − 声明一个名为 run_cnn() 的函数，其中包含各种参数和优化变量以及数据占位符的声明。这些优化变量将声明训练模式。

def run_cnn():
   mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot = True)
   learning_rate = 0.0001
   epochs = 10
   batch_size = 50

Step 3 − 在此步骤中，我们将声明具有输入参数的训练数据占位符 - 28 x 28 像素 = 784。这是来自 mnist.train.nextbatch() 的扁平化图像数据。

我们可以根据需要对张量进行整形。第一个值 (-1) 告诉函数根据传递给它的数据量动态整形该维度。中间两个维度设置为图像大小（即 28 x 28）。

x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
x_shaped = tf.reshape(x, [-1, 28, 28, 1])
y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])

Step 4 − 现在，创建一些卷积层非常重要 −

layer1 = create_new_conv_layer(x_shaped, 1, 32, [5, 5], [2, 2], name = 'layer1')
layer2 = create_new_conv_layer(layer1, 32, 64, [5, 5], [2, 2], name = 'layer2')

Step 5 − 在具有 28 x 28 维度的两层步长 2 池化后，让我们压平输出，使其准备好进行完全连接的输出阶段，使其变为 14 x 14 或至少 7 x 7 x，y 坐标，但具有 64 个输出通道。为了使用“密集”层创建完全连接，新形状需要为 [-1, 7 x 7 x 64]。我们可以为此层设置一些权重和偏差值，然后使用 ReLU 激活。

flattened = tf.reshape(layer2, [-1, 7 * 7 * 64])

wd1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([7 * 7 * 64, 1000], stddev = 0.03), name = 'wd1')
bd1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([1000], stddev = 0.01), name = 'bd1')

dense_layer1 = tf.matmul(flattened, wd1) + bd1
dense_layer1 = tf.nn.relu(dense_layer1)

Step 6 − 具有特定 softmax 激活的另一层，带有所需的优化器定义了准确性评估，它会设置初始化运算符。

wd2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([1000, 10], stddev = 0.03), name = 'wd2')
bd2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([10], stddev = 0.01), name = 'bd2')

dense_layer2 = tf.matmul(dense_layer1, wd2) + bd2
y_ = tf.nn.softmax(dense_layer2)

cross_entropy = tf.reduce_mean(
   tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits = dense_layer2, labels = y))

optimiser = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate = learning_rate).minimize(cross_entropy)

correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

init_op = tf.global_variables_initializer()

Step 7 − 我们应该设置记录变量。这会添加一个摘要来存储数据的准确性。

tf.summary.scalar('accuracy', accuracy)
   merged = tf.summary.merge_all()
   writer = tf.summary.FileWriter('E:\TensorFlowProject')

   with tf.Session() as sess:
      sess.run(init_op)
      total_batch = int(len(mnist.train.labels) / batch_size)

      for epoch in range(epochs):
         avg_cost = 0
      for i in range(total_batch):
         batch_x, batch_y = mnist.train.next_batch(batch_size = batch_size)
            _, c = sess.run([optimiser, cross_entropy], feed_dict = {
            x:batch_x, y: batch_y})
            avg_cost += c / total_batch
         test_acc = sess.run(accuracy, feed_dict = {x: mnist.test.images, y:
            mnist.test.labels})
            summary = sess.run(merged, feed_dict = {x: mnist.test.images, y:
            mnist.test.labels})
         writer.add_summary(summary, epoch)

   print("\nTraining complete!")
   writer.add_graph(sess.graph)
   print(sess.run(accuracy, feed_dict = {x: mnist.test.images, y:
      mnist.test.labels}))

def create_new_conv_layer(
   input_data, num_input_channels, num_filters,filter_shape, pool_shape, name):

   conv_filt_shape = [
      filter_shape[0], filter_shape[1], num_input_channels, num_filters]

   weights = tf.Variable(
      tf.truncated_normal(conv_filt_shape, stddev = 0.03), name = name+'_W')
   bias = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_filters]), name = name+'_b')

#Out layer defines the output
   out_layer =
      tf.nn.conv2d(input_data, weights, [1, 1, 1, 1], padding = 'SAME')

   out_layer += bias
   out_layer = tf.nn.relu(out_layer)
   ksize = [1, pool_shape[0], pool_shape[1], 1]
   strides = [1, 2, 2, 1]
   out_layer = tf.nn.max_pool(
      out_layer, ksize = ksize, strides = strides, padding = 'SAME')

   return out_layer

if __name__ == "__main__":
run_cnn()

以下是以上代码生成的输出 −

See @{tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2}.

2018-09-19 17:22:58.802268: I
T:\src\github\tensorflow\tensorflow\core\platform\cpu_feature_guard.cc:140]
Your CPU supports instructions that this TensorFlow binary was not compiled to
use: AVX2

2018-09-19 17:25:41.522845: W
T:\src\github\tensorflow\tensorflow\core\framework\allocator.cc:101] Allocation
of 1003520000 exceeds 10% of system memory.

2018-09-19 17:25:44.630941: W
T:\src\github\tensorflow\tensorflow\core\framework\allocator.cc:101] Allocation
of 501760000 exceeds 10% of system memory.

Epoch: 1 cost = 0.676 test accuracy: 0.940

2018-09-19 17:26:51.987554: W
T:\src\github\tensorflow\tensorflow\core\framework\allocator.cc:101] Allocation
of 1003520000 exceeds 10% of system memory.