TensorFlow 训练MNIST数据集（2）—— 多层神经网络

　　在我的上一篇随笔中，采用了单层神经网络来对MNIST进行训练，在测试集中只有约90%的正确率。这次换一种神经网络（多层神经网络）来进行训练和测试。

1、获取MNIST数据

　　MNIST数据集只要一行代码就可以获取的到，非常方便。关于MNIST的基本信息可以参考我的上一篇随笔。

mnist = input_data.read_data_sets('./data/mnist', one_hot=True)

2、模型基本结构

　　本次采用的训练模型为三层神经网络结构，输入层节点数与MNIST一行数据的长度一致，为784；输出层节点数与数字的类别数一致，为10；隐藏层节点数为50个；每次训练的mini-batch数量为64,；最大训练周期为50000。

inputSize  = 784
outputSize = 10
hiddenSize = 50
batchSize  = 64
trainCycle = 50000

3、输入层

　　输入层用于接收每次小批量样本的输入，先通过placeholder来进行占位，在训练时才传入具体的数据。值得注意的是，在生成输入层的tensor时，传入的shape中有一个‘None’，表示每次输入的样本的数量，该‘None’表示先不作具体的指定，在真正输入的时候再根据实际的数据来进行推断。这个很方便，但也是有条件的，也就是通过该方法返回的tensor不能使用简单的加（+）减（-）乘（*）除（/）符号来进行计算（否则将会报错），需要用TensorFlow中的相关函数来进行代替。

inputLayer = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, inputSize])

4、隐藏层

　　在神经网络中，隐藏层的作用主要是提取数据的特征（feature）。这里的权重参数采用了 tensorflow.truncated_normal() 函数来进行生成，与上次采用的 tensorflow.

random_normal() 不一样。这两者的作用都是生成指定形状、期望和标准差的符合正太分布随机变量。区别是 truncated_normal 函数对随机变量的范围有个限制（与期望的偏差在2个标准差之内，否则丢弃）。另外偏差项这里也使用了变量的形式，也可以采用常量来进行替代。 

　　激活函数为sigmoid函数。

hiddenWeight = tf.Variable(tf.truncated_normal([inputSize, hiddenSize], mean=0, stddev=0.1))
hiddenBias   = tf.Variable(tf.truncated_normal([hiddenSize]))
hiddenLayer  = tf.add(tf.matmul(inputLayer, hiddenWeight), hiddenBias)
hiddenLayer  = tf.nn.sigmoid(hiddenLayer)

5、输出层

　　输出层与隐藏层类似，只是节点数不一样。

outputWeight = tf.Variable(tf.truncated_normal([hiddenSize, outputSize], mean=0, stddev=0.1))
outputBias   = tf.Variable(tf.truncated_normal([outputSize], mean=0, stddev=0.1))
outputLayer  = tf.add(tf.matmul(hiddenLayer, outputWeight), outputBias)
outputLayer  = tf.nn.sigmoid(outputLayer)

6、输出标签

　　跟输入层一样，也是先占位，在最后训练的时候再传入具体的数据。标签，也就是每一个样本的正确分类。

outputLabel = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, outputSize])

7、损失函数

　　这里采用的是交叉熵损失函数。注意用的是v2版本，第一个版本已被TensorFlow声明为deprecated，准备废弃了。

loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2(labels=outputLabel, logits=outputLayer))

8、优化器与目标函数

　　优化器采用了Adam梯度下降法，我试过了普通的GradientDescentOptimizer，效果不如Adam；也用过Adadelta，结果几乎收敛不了。

　　目标函数就是最小化损失函数。

optimizer = tf.train.AdamOptimizer()
target    = optimizer.minimize(loss)

9、训练过程

　　先创建一个会话，然后初始化tensors，最后进行迭代训练。模型的收敛速度很快，在1000次的时候就达到了大概90%的正确率。

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())

    for i in range(trainCycle):
        batch = mnist.train.next_batch(batchSize)
        sess.run(target, feed_dict={inputLayer: batch[0], outputLabel: batch[1]})

        if i % 1000 == 0:
            corrected = tf.equal(tf.argmax(outputLabel, 1), tf.argmax(outputLayer, 1))
            accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(corrected, tf.float32))
            accuracyValue = sess.run(accuracy, feed_dict={inputLayer: batch[0], outputLabel: batch[1]})
            print(i, 'train set accuracy:', accuracyValue)

模型训练输出：

10、测试训练结果

　　在测数据集上测试。准确率达到96%，比单层的神经网络好很多。

    corrected = tf.equal(tf.argmax(outputLabel, 1), tf.argmax(outputLayer, 1))
    accuracy  = tf.reduce_mean(tf.cast(corrected, tf.float32))
    accuracyValue = sess.run(accuracy, feed_dict={inputLayer: mnist.test.images, outputLabel: mnist.test.labels})
    print("accuracy on test set:", accuracyValue)

测试集上的输出：

 

附：

　　完整代码如下：

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

mnist = input_data.read_data_sets('./data/mnist', one_hot=True)

inputSize  = 784
outputSize = 10
hiddenSize = 50
batchSize  = 64
trainCycle = 50000

# 输入层
inputLayer = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, inputSize])

# 隐藏层
hiddenWeight = tf.Variable(tf.truncated_normal([inputSize, hiddenSize], mean=0, stddev=0.1))
hiddenBias   = tf.Variable(tf.truncated_normal([hiddenSize]))
hiddenLayer  = tf.add(tf.matmul(inputLayer, hiddenWeight), hiddenBias)
hiddenLayer  = tf.nn.sigmoid(hiddenLayer)

# 输出层
outputWeight = tf.Variable(tf.truncated_normal([hiddenSize, outputSize], mean=0, stddev=0.1))
outputBias   = tf.Variable(tf.truncated_normal([outputSize], mean=0, stddev=0.1))
outputLayer  = tf.add(tf.matmul(hiddenLayer, outputWeight), outputBias)
outputLayer  = tf.nn.sigmoid(outputLayer)

# 标签
outputLabel = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, outputSize])

# 损失函数
loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2(labels=outputLabel, logits=outputLayer))

# 优化器
optimizer = tf.train.AdamOptimizer()

# 训练目标
target = optimizer.minimize(loss)

# 训练
with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())

    for i in range(trainCycle):
        batch = mnist.train.next_batch(batchSize)
        sess.run(target, feed_dict={inputLayer: batch[0], outputLabel: batch[1]})

        if i % 1000 == 0:
            corrected = tf.equal(tf.argmax(outputLabel, 1), tf.argmax(outputLayer, 1))
            accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(corrected, tf.float32))
            accuracyValue = sess.run(accuracy, feed_dict={inputLayer: batch[0], outputLabel: batch[1]})
            print(i, 'train set accuracy:', accuracyValue)

    # 测试
    corrected = tf.equal(tf.argmax(outputLabel, 1), tf.argmax(outputLayer, 1))
    accuracy  = tf.reduce_mean(tf.cast(corrected, tf.float32))
    accuracyValue = sess.run(accuracy, feed_dict={inputLayer: mnist.test.images, outputLabel: mnist.test.labels})
    print("accuracy on test set:", accuracyValue)

    sess.close()

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