本文转自TensorFlow中文社区
学习构建一个TensorFlow模型的基本步骤,并为 MNIST构建一个深度卷积神经网络。
程序如下:
#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)
sess = tf.InteractiveSession()
#构建一个卷积神经网络
x = tf.placeholder("float", shape=[None, 784])
y_ = tf.placeholder("float", shape=[None, 10])
#权重初始化
#在初始化时应该加入少量的噪声来打破对称性以及避免0梯度
#由于我们使用的是ReLU神经元,因此比较好的做法是用一个较小的正数来初始化偏置项,
# 以避免神经元节点输出恒为0的问题;创建函数方便初始化
def weight_variable(shape):
initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)
return tf.Variable(initial)
def bias_variable(shape):
initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
return tf.Variable(initial)
#卷积和池化
#使用vanilla版本。我们的卷积使用1步长(stride size),0边距(padding size)的模板,
# 保证输出和输入是同一个大小。我们的池化用简单传统的2x2大小的模板做max pooling。
def conv2d(x, W):
return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
def max_pool_2x2(x):
return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1],
strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
#第一层卷积(卷积层+池化层)
#卷积在每个5x5的patch中算出32个特征。卷积的权重张量形状是[5, 5, 1, 32],
# 前两个维度是patch的大小,接着是输入的通道数目,最后是输出的通道数目。
# 而对于每一个输出通道都有一个对应的偏置量。
W_conv1 = weight_variable([5, 5, 1, 32])
b_conv1 = bias_variable([32])
#我们把x变成一个4d向量,其第2、第3维对应图片的宽、高,最后一维代表图片的颜色通道数
# (因为是灰度图所以这里的通道数为1,如果是rgb彩色图,则为3)。
x_image = tf.reshape(x, [-1,28,28,1])
#我们把x_image和权值向量进行卷积,加上偏置项,然后应用ReLU激活函数,最后进行max
h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(x_image, W_conv1) + b_conv1)
h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)
#第二层卷积
W_conv2 = weight_variable([5, 5, 32, 64])
b_conv2 = bias_variable([64])
h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1, W_conv2) + b_conv2)
h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)
#密集连接层
#现在,图片尺寸减小到7x7,我们加入一个有1024个神经元的全连接层,用于处理整个图片。
# 我们把池化层输出的张量reshape成一些向量,乘上权重矩阵,加上偏置,然后对其使用ReLU。
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.relu(tf.matmul(h_pool2_flat, W_fc1) + b_fc1)
#Dropout 减少过拟合
#我们用一个placeholder来代表一个神经元的输出在dropout中保持不变的概率
keep_prob = tf.placeholder("float")
h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)
#输出层(softmax)
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)
#训练和评估模型
cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y_conv))
train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(y_,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))
sess.run(tf.global_variables_initializer())
for i in range(20000):
batch = mnist.train.next_batch(50)
if i%100 == 0:
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}))
程序运行结果:
...
step 19700, training accuracy 1
step 19800, training accuracy 1
step 19900, training accuracy 1
test accuracy 0.9916
相关知识补充:
ReLU:f(x)=max(0,x)
ReLU的有效性体现在两个方面:克服梯度消失的问题,加快训练速度。即使用简单、速度快
tf.truncated_normal与tf.random_normal的区别
生成的值都服从具有指定平均值和标准偏差的正态分布,但前者如果生成的值大于平均值2个标准偏差的值则丢弃重新选择。
(1)tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None, name=None)
介绍参数:(2)tf.nn.max_pool(value, ksize, strides, padding, name=None)
value:池化的输入,一般池化层接在卷积层的后面,所以输出通常为feature map。feature map依旧是[batch, in_height, in_width, in_channels]这样的参数。padding:填充方式同样只有两种不重复了。
4、Dropout
dropout是指在深度学习网络的训练过程中,对于神经单元,按照一定的概率将其暂时从网络中丢弃。注意是暂时,对于随机梯度下降来说,由于是随机丢弃,故而每一个mini-batch都在训练不同的网络。dropout在CNN中有效防止过拟合提高效果
dropout率的选择:经过交叉验证,隐含节点dropout率等于0.5的时候效果最好,原因是0.5的时候dropout随机生成的网络结构最多。
其他防止过拟合的方法:提前终止(当验证集上的效果变差的时候)、L1和L2正则化加权、soft weight sharing
logistics回归模型在多分类问题上的推广。