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  • tensorflow笔记:多层CNN代码分析

    tensorflow笔记系列: 
    (一) tensorflow笔记:流程,概念和简单代码注释 
    (二) tensorflow笔记:多层CNN代码分析 
    (三) tensorflow笔记:多层LSTM代码分析 
    (四) tensorflow笔记:常用函数说明 
    (五) tensorflow笔记:模型的保存与训练过程可视化 
    (六)tensorflow笔记:使用tf来实现word2vec


    在之前的tensorflow笔记:流程,概念和简单代码注释 文章中,已经大概解释了tensorflow的大概运行流程,并且提供了一个mnist数据集分类器的简单实现。当然,因为结构简单,最后的准确率在91%左右。似乎已经不低了?其实这个成绩是非常不理想的。现在mnist的准确率天梯榜已经被刷到了99.5%以上。为了进一步提高准确率,官网还提供了一个多层的CNN分类器的代码。相比之前的一层神经网络,这份代码的主要看点倒不是多层,而是CNN,也就是卷积神经网络。

    CNN的具体内容不再详述,概述可以参考这里,详细信息可以参见Convolutional Networks。一般来说,CNN网络的前几层为卷积层和采样层(或者说池化层),在若干层卷积和池化以后,还有若干层全连接层(也就是传统神经网络),最后输出分类信息。大概的结构示意图如下图所示

    此处输入图片的描述

    可以看到,CNN相比与传统神经网络,最大的区别就是引入了卷积层和池化层。这也是我们在代码中要着重看的地方。 
    在下面的代码中,卷积是使用tf.nn.conv2d, 池化使用tf.nn.max_pool,下面来详细的讲解一下这两个函数的用法。


    tf.nn.conv2d

    这个函数的功能是:给定4维的input和filter,计算出一个2维的卷积结果。函数的定义为:

    def conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None,
               data_format=None, name=None):

    前几个参数分别是input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu, …下面来一一解释 
    input:待卷积的数据。格式要求为一个张量,[batch, in_height, in_width, in_channels]
    分别表示 批次数,图像高度,宽度,输入通道数。 
    filter: 卷积核。格式要求为[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
    分别表示 卷积核的高度,宽度,输入通道数,输出通道数。 
    strides :一个长为4的list. 表示每次卷积以后卷积窗口在input中滑动的距离 
    padding :有SAME和VALID两种选项,表示是否要保留图像边上那一圈不完全卷积的部分。如果是SAME,则保留 
    use_cudnn_on_gpu :是否使用cudnn加速。默认是True


    tf.nn.max_pool 
    进行最大值池化操作,而avg_pool 则进行平均值池化操作.函数的定义为:

    def max_pool(value, ksize, strides, padding, data_format="NHWC", name=None):

    value: 一个4D张量,格式为[batch, height, width, channels],与conv2d中input格式一样 
    ksize: 长为4的list,表示池化窗口的尺寸 
    strides: 池化窗口的滑动值,与conv2d中的一样 
    padding: 与conv2d中用法一样。


    具体的代码注释如下:

    # Copyright 2015 The TensorFlow Authors. All Rights Reserved.
    #
    # Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
    # you may not use this file except in compliance with the License.
    # You may obtain a copy of the License at
    #
    #     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
    #
    # Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
    # distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
    # WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
    # See the License for the specific language governing permissions and
    # limitations under the License.
    # ==============================================================================
    
    """A very simple MNIST classifier.
    See extensive documentation at
    http://tensorflow.org/tutorials/mnist/beginners/index.md
    """
    from __future__ import absolute_import
    from __future__ import division
    from __future__ import print_function
    
    # Import data
    from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
    
    import tensorflow as tf
    
    flags = tf.app.flags
    FLAGS = flags.FLAGS
    flags.DEFINE_string('data_dir', '/tmp/data/', 'Directory for storing data') # 第一次启动会下载文本资料,放在/tmp/data文件夹下
    
    print(FLAGS.data_dir)
    mnist = input_data.read_data_sets(FLAGS.data_dir, one_hot=True)
    
    def weight_variable(shape):
        initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1) # 变量的初始值为截断正太分布
        return tf.Variable(initial)
    
    def bias_variable(shape):
        initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
        return tf.Variable(initial)
    
    def conv2d(x, W):
        """
        tf.nn.conv2d功能:给定4维的input和filter,计算出一个2维的卷积结果
        前几个参数分别是input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu, ...
        input   的格式要求为一个张量,[batch, in_height, in_width, in_channels],批次数,图像高度,图像宽度,通道数
        filter  的格式为[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels],滤波器高度,宽度,输入通道数,输出通道数
        strides 一个长为4的list. 表示每次卷积以后在input中滑动的距离
        padding 有SAME和VALID两种选项,表示是否要保留不完全卷积的部分。如果是SAME,则保留
        use_cudnn_on_gpu 是否使用cudnn加速。默认是True
        """
        return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
    
    def max_pool_2x2(x):
        """
        tf.nn.max_pool 进行最大值池化操作,而avg_pool 则进行平均值池化操作
        几个参数分别是:value, ksize, strides, padding,
        value:  一个4D张量,格式为[batch, height, width, channels],与conv2d中input格式一样
        ksize:  长为4的list,表示池化窗口的尺寸
        strides: 窗口的滑动值,与conv2d中的一样
        padding: 与conv2d中用法一样。
        """
        return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1],
                              strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
    
    sess = tf.InteractiveSession()
    
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
    x_image = tf.reshape(x, [-1,28,28,1]) #将输入按照 conv2d中input的格式来reshape,reshape
    
    """
    # 第一层
    # 卷积核(filter)的尺寸是5*5, 通道数为1,输出通道为32,即feature map 数目为32
    # 又因为strides=[1,1,1,1] 所以单个通道的输出尺寸应该跟输入图像一样。即总的卷积输出应该为?*28*28*32
    # 也就是单个通道输出为28*28,共有32个通道,共有?个批次
    # 在池化阶段,ksize=[1,2,2,1] 那么卷积结果经过池化以后的结果,其尺寸应该是?*14*14*32
    """
    W_conv1 = weight_variable([5, 5, 1, 32])  # 卷积是在每个5*5的patch中算出32个特征,分别是patch大小,输入通道数目,输出通道数目
    b_conv1 = bias_variable([32])
    h_conv1 = tf.nn.elu(conv2d(x_image, W_conv1) + b_conv1)
    h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)
    
    """
    # 第二层
    # 卷积核5*5,输入通道为32,输出通道为64。
    # 卷积前图像的尺寸为 ?*14*14*32, 卷积后为?*14*14*64
    # 池化后,输出的图像尺寸为?*7*7*64
    """
    W_conv2 = weight_variable([5, 5, 32, 64])
    b_conv2 = bias_variable([64])
    h_conv2 = tf.nn.elu(conv2d(h_pool1, W_conv2) + b_conv2)
    h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)
    
    # 第三层 是个全连接层,输入维数7*7*64, 输出维数为1024
    W_fc1 = weight_variable([7 * 7 * 64, 1024])
    b_fc1 = bias_variable([1024])
    h_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2, [-1, 7*7*64])
    h_fc1 = tf.nn.elu(tf.matmul(h_pool2_flat, W_fc1) + b_fc1)
    keep_prob = tf.placeholder(tf.float32) # 这里使用了drop out,即随机安排一些cell输出值为0,可以防止过拟合
    h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)
    
    # 第四层,输入1024维,输出10维,也就是具体的0~9分类
    W_fc2 = weight_variable([1024, 10])
    b_fc2 = bias_variable([10])
    y_conv=tf.nn.softmax(tf.matmul(h_fc1_drop, W_fc2) + b_fc2) # 使用softmax作为多分类激活函数
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])
    
    cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y_conv), reduction_indices=[1])) # 损失函数,交叉熵
    train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy) # 使用adam优化
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(y_,1)) # 计算准确度
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
    sess.run(tf.initialize_all_variables()) # 变量初始化
    for i in range(20000):
        batch = mnist.train.next_batch(50)
        if i%100 == 0:
            # print(batch[1].shape)
            train_accuracy = accuracy.eval(feed_dict={
                x:batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 1.0})
            print("step %d, training accuracy %g"%(i, train_accuracy))
        train_step.run(feed_dict={x: batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 0.5})
    
    print("test accuracy %g"%accuracy.eval(feed_dict={
        x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0}))
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