动手实现CNN卷积神经网络

数据集采用的是手写数据集（http://yann.lecun.com/exdb/mnist/）：

本文构建的CNN网络图如下：

　　像素点：28*28 = 784，55000张手写数字图片。

# -*- coding: UTF-8 -*-

import numpy as np
import tensorflow as tf

# 下载并载入 MNIST 手写数字库（55000 * 28 * 28）55000 张训练图像
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets('mnist_data', one_hot=True)#将数据保存在mnist_data下

# one_hot 独热码的编码（encoding）形式
# 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 的十位数字
# 0 : 1000000000
# 1 : 0100000000
# 2 : 0010000000
# 3 : 0001000000
# 4 : 0000100000
# 5 : 0000010000
# 6 : 0000001000
# 7 : 0000000100
# 8 : 0000000010
# 9 : 0000000001

# None 表示张量（Tensor）的第一个维度可以是任何长度
# 除以 255 是为了做 归一化（Normalization），把灰度值从 [0, 255] 变成 [0, 1] 区间
# 归一话可以让之后的优化器（optimizer）更快更好地找到误差最小值
input_x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 28 * 28]) / 255.  # 输入

output_y = tf.placeholder(tf.int32, [None, 10])  # 输出：10个数字的标签

# -1 表示自动推导维度大小。让计算机根据其他维度的值
# 和总的元素大小来推导出 -1 的地方的维度应该是多少
input_x_images = tf.reshape(input_x, [-1, 28, 28, 1])  # 改变形状之后的输入

# 从 Test（测试）数据集里选取 3000 个手写数字的图片和对应标签
test_x = mnist.test.images[:3000]  # 图片
test_y = mnist.test.labels[:3000]  # 标签

# 构建我们的卷积神经网络：
# 第 1 层卷积
conv1 = tf.layers.conv2d(  #conv2d指的是2维卷积
    inputs=input_x_images,  # 形状 [28, 28, 1]
    filters=32,             # 32 个过滤器，输出的深度（depth）是32
    kernel_size=[5, 5],     # 过滤器在二维的大小是 (5 * 5)
    strides=1,              # 步长是 1
    padding='same',         # same 表示输出的大小不变，因此需要在外围补零 2 圈
    activation=tf.nn.relu   # 激活函数是 Relu
)  # 经过第一层卷积后输出的形状为 [28, 28, 32]


# 第 1 层池化（亚采样）
pool1 = tf.layers.max_pooling2d(
    inputs=conv1,      # 形状 [28, 28, 32]
    pool_size=[2, 2],  # 过滤器在二维的大小是（2 * 2）
    strides=2          # 步长是 2
)  # 经过第 1 层池化后输出的形状 [14, 14, 32]


# 第 2 层卷积
conv2 = tf.layers.conv2d(
    inputs=pool1,          # 形状 [14, 14, 32]
    filters=64,            # 64 个过滤器，输出的深度（depth）是64
    kernel_size=[5, 5],    # 过滤器在二维的大小是 (5 * 5)
    strides=1,             # 步长是 1
    padding='same',        # same 表示输出的大小不变，因此需要在外围补零 2 圈
    activation=tf.nn.relu  # 激活函数是 Relu
)  # 经过第二层卷积后输出的形状为 [14, 14, 64]


# 第 2 层池化（亚采样）
pool2 = tf.layers.max_pooling2d(
    inputs=conv2,      # 形状 [14, 14, 64]
    pool_size=[2, 2],  # 过滤器在二维的大小是（2 * 2）
    strides=2          # 步长是 2
)  # 形状 [7, 7, 64]

# 平坦化（flat）。降维
flat = tf.reshape(pool2, [-1, 7 * 7 * 64])  # 形状 [7 * 7 * 64, ]

# 1024 个神经元的全连接层
dense = tf.layers.dense(inputs=flat, units=1024, activation=tf.nn.relu)

# Dropout : 丢弃 50%（rate=0.5）
dropout = tf.layers.dropout(inputs=dense, rate=0.5)


# 10 个神经元的全连接层，这里不用激活函数来做非线性化了
logits = tf.layers.dense(inputs=dropout, units=10)  # 输出。形状 [1, 1, 10]

# 计算误差（先用 Softmax 计算百分比概率，
# 再用 Cross entropy（交叉熵）来计算百分比概率和对应的独热码之间的误差）
loss = tf.losses.softmax_cross_entropy(onehot_labels=output_y, logits=logits)
#onehot_labels指的是实际的标签值，logits指的是卷积神经网络的预测输出

# Adam 优化器来最小化误差，学习率 0.001
train_op = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001).minimize(loss)

# 精度。计算 预测值 和 实际标签 的匹配程度
# 返回 (accuracy, update_op), 会创建两个局部变量
accuracy = tf.metrics.accuracy(
    labels=tf.argmax(output_y, axis=1),#第一个参数labels为真实标签    注：tf.argmax返回的是最大值的下标
    predictions=tf.argmax(logits, axis=1),)[1]#第二个参数predictions为预测标签

# 创建会话
sess = tf.Session()
# 初始化变量：全局和局部
init = tf.group(tf.global_variables_initializer(), tf.local_variables_initializer())
sess.run(init)

# 训练 5000 步。这个步数可以调节
for i in range(5000):
    batch = mnist.train.next_batch(50)  # 从 Train（训练）数据集里取 “下一个” 50 个样本
    train_loss, train_op_ = sess.run([loss, train_op], {input_x: batch[0], output_y: batch[1]})
    if i % 100 == 0:
        test_accuracy = sess.run(accuracy, {input_x: test_x, output_y: test_y})
        print("第 {} 步的 训练损失={:.4f}, 测试精度={:.2f}".format(i, train_loss, test_accuracy))

# 测试：打印 20 个预测值 和 真实值
test_output = sess.run(logits, {input_x: test_x[:20]})
inferred_y = np.argmax(test_output, 1)
print(inferred_y, '推测的数字')  # 推测的数字
print(np.argmax(test_y[:20], 1), '真实的数字')  # 真实的数字

# 关闭会话
sess.close()

　　结果：