CNN之Lenet5

LeNet诞生于 1994 年，是最早的卷积神经网络之一，并且推动了深度学习领域的发展。

LeNet-5是Yann LeCun等人在多次研究后提出的最终卷积神经网络结构，主要用于手写数字识别

LeNet5的网络结构如下所示：

[图片及描述来源：LeCun, Y.; Bottou, L.; Bengio, Y. & Haffner, P. (1998). Gradient-based learning applied to document recognition.Proceedings of the IEEE. 86(11): 2278 - 2324.]

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LeNet-5包含七层，不包括输入，每一层都包含可训练参数（权重），当时使用的输入数据是32*32像素的图像。下面逐层介绍LeNet-5的结构，并且，卷积层将用Cx表示，子采样层则被标记为Sx，全连接层被标记为Fx，其中x是层索引。

1、C1层（卷积层）：6@28×28

该层使用了6个卷积核，每个卷积核的大小为5×5，这样就得到了6个feature map（特征图）。

（1）特征图大小

每个卷积核（5×5）与原始的输入图像（32×32）进行卷积，这样得到的feature map（特征图）大小为（32-5+1）×（32-5+1）= 28×28

卷积核与输入图像按卷积核大小逐个区域进行匹配计算，匹配后原始输入图像的尺寸将变小，因为边缘部分卷积核无法越出界，只能匹配一次，匹配计算后的尺寸变为Cr×Cc=（Ir-Kr+1）×（Ic-Kc+1），其中Cr、Cc，Ir、Ic，Kr、Kc分别表示卷积后结果图像、输入图像、卷积核的行列大小。

（2）参数个数

由于参数（权值）共享的原因，对于同个卷积核每个神经元均使用相同的参数，因此，参数个数为（5×5+1）×6= 156，其中5×5为卷积核参数，1为偏置参数

（3）连接数

卷积后的图像大小为28×28，因此每个特征图有28×28个神经元，每个卷积核参数为（5×5+1）×6，因此，该层的连接数为（5×5+1）×6×28×28=122304

2、S2层（下采样层，也称池化层）：6@14×14

（1）特征图大小

这一层主要是做池化或者特征映射（特征降维），池化单元为2×2，因此，6个特征图的大小经池化后即变为14×14。池化单元之间没有重叠，在池化区域内进行聚合统计后得到新的特征值，因此经2×2池化后，每两行两列重新算出一个特征值出来，相当于图像大小减半，因此卷积后的28×28图像经2×2池化后就变为14×14。

这一层的计算过程是：2×2 单元里的值相加，然后再乘以训练参数w，再加上一个偏置参数b（每一个特征图共享相同的w和b)，然后取sigmoid值（S函数：0-1区间），作为对应的该单元的值。卷积操作与池化的示意图如下：

（2）参数个数

S2层由于每个特征图都共享相同的w和b这两个参数，因此需要2×6=12个参数

（3）连接数

下采样之后的图像大小为14×14，因此S2层的每个特征图有14×14个神经元，每个池化单元连接数为2×2+1（1为偏置量），因此，该层的连接数为（2×2+1）×14×14×6 = 5880

3、C3层（卷积层）：16@10×10

C3层有16个卷积核，卷积模板大小为5×5。

（1）特征图大小

与C1层的分析类似，C3层的特征图大小为（14-5+1）×（14-5+1）= 10×10

（2）参数个数

需要注意的是，C3与S2并不是全连接而是部分连接，有些是C3连接到S2三层、有些四层、甚至达到6层，通过这种方式提取更多特征，连接的规则如下表所示：

例如第一列表示C3层的第0个特征图（feature map）只跟S2层的第0、1和2这三个feature maps相连接，计算过程为：用3个卷积模板分别与S2层的3个feature maps进行卷积，然后将卷积的结果相加求和，再加上一个偏置，再取sigmoid得出卷积后对应的feature map了。其它列也是类似（有些是3个卷积模板，有些是4个，有些是6个）。因此，C3层的参数数目为（5×5×3+1）×6 +（5×5×4+1）×9 +5×5×6+1 = 1516

（3）连接数

卷积后的特征图大小为10×10，参数数量为1516，因此连接数为1516×10×10= 151600

4、S4（下采样层，也称池化层）：16@5×5

（1）特征图大小

与S2的分析类似，池化单元大小为2×2，因此，该层与C3一样共有16个特征图，每个特征图的大小为5×5。

（2）参数数量

与S2的计算类似，所需要参数个数为16×2 = 32

（3）连接数

连接数为（2×2+1）×5×5×16 = 2000

5、C5层（卷积层）：120

（1）特征图大小

该层有120个卷积核，每个卷积核的大小仍为5×5，因此有120个特征图。由于S4层的大小为5×5，而该层的卷积核大小也是5×5，因此特征图大小为（5-5+1）×（5-5+1）= 1×1。这样该层就刚好变成了全连接，这只是巧合，如果原始输入的图像比较大，则该层就不是全连接了。

（2）参数个数

与前面的分析类似，本层的参数数目为120×（5×5×16+1） = 48120

（3）连接数

由于该层的特征图大小刚好为1×1，因此连接数为48120×1×1=48120

6、F6层（全连接层）：84

（1）特征图大小

F6层有84个单元，之所以选这个数字的原因是来自于输出层的设计，对应于一个7×12的比特图，如下图所示，-1表示白色，1表示黑色，这样每个符号的比特图的黑白色就对应于一个编码。

该层有84个特征图，特征图大小与C5一样都是1×1，与C5层全连接。

（2）参数个数

由于是全连接，参数数量为（120+1）×84=10164。跟经典神经网络一样，F6层计算输入向量和权重向量之间的点积，再加上一个偏置，然后将其传递给sigmoid函数得出结果。

（3）连接数

由于是全连接，连接数与参数数量一样，也是10164。

7、OUTPUT层（输出层）：10

Output层也是全连接层，共有10个节点，分别代表数字0到9。如果第i个节点的值为0，则表示网络识别的结果是数字i。

（1）特征图大小

该层采用径向基函数（RBF）的网络连接方式，假设x是上一层的输入，y是RBF的输出，则RBF输出的计算方式是：

上式中的Wij的值由i的比特图编码确定，i从0到9，j取值从0到7×12-1。RBF输出的值越接近于0，表示当前网络输入的识别结果与字符i越接近。

（2）参数个数

由于是全连接，参数个数为84×10=840

（3）连接数

由于是全连接，连接数与参数个数一样，也是840

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代码

from skimage import io,transform

import os

import glob

import numpy as np

import tensorflow as tf

#将所有的图片重新设置尺寸为32*32

w = 32

h = 32

c = 1

#mnist数据集中训练数据和测试数据保存地址

train_path = "E:/data/datasets/mnist/train/"

test_path = "E:/data/datasets/mnist/test/"

#读取图片及其标签函数

'''os.listdir()返回指定的文件夹包含的文件或文件夹的名字,存放于一个列表中;os.path.isdir()判断某一路径是否为目录

enumerate()将一个可遍历的数据对象(如列表、元组或字符串)组合为一个索引序列，数据下标和相应数据'''

def read_image(path):

    label_dir = [path+x for x in os.listdir(path) if os.path.isdir(path+x)]

    images = []

    labels = []

    for index,folder in enumerate(label_dir):

        for img in glob.glob(folder+'/*.png'):

            print("reading the image:%s"%img)

            image = io.imread(img)

            image = transform.resize(image,(w,h,c))

            images.append(image)

            labels.append(index)

    return np.asarray(images,dtype=np.float32),np.asarray(labels,dtype=np.int32)

#读取训练数据及测试数据           

train_data,train_label = read_image(train_path)

test_data,test_label = read_image(test_path)

#打乱训练数据及测试数据  np.arange()返回一个有终点和起点的固定步长的排列,

train_image_num = len(train_data)

train_image_index = np.arange(train_image_num) ##起始点0，结束点train_image_num，步长1，返回类型array，一维

np.random.shuffle(train_image_index)

train_data = train_data[train_image_index]

train_label = train_label[train_image_index]

test_image_num = len(test_data)

test_image_index = np.arange(test_image_num)

np.random.shuffle(test_image_index)

test_data = test_data[test_image_index]

test_label = test_label[test_image_index]

#搭建CNN 此函数可以理解为形参，用于定义过程，在执行的时候再赋具体的值,形参名X，y_

x = tf.placeholder(tf.float32,[None,w,h,c],name='x')

y_ = tf.placeholder(tf.int32,[None],name='y_')

def inference(input_tensor,train,regularizer):

    #第一层：卷积层，过滤器的尺寸为5×5，深度为6,不使用全0补充，步长为1。

    #尺寸变化：32×32×1->28×28×6

    '''参数的初始化：tf.truncated_normal_initializer()或者简写为tf.TruncatedNormal()、tf.RandomNormal() 去掉_initializer,大写首字母即可

生成截断正态分布的随机数，这个初始化方法好像在tf中用得比较多mean=0.0, stddev=1.0 正态分布

http://www.mamicode.com/info-detail-1835147.html'''

    with tf.variable_scope('layer1-conv1'):

        conv1_weights = tf.get_variable('weight',[5,5,c,6],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        conv1_biases = tf.get_variable('bias',[6],initializer=tf.constant_initializer(0.0))

        conv1 = tf.nn.conv2d(input_tensor,conv1_weights,strides=[1,1,1,1],padding='VALID')

        relu1 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv1,conv1_biases))

    #第二层：池化层，过滤器的尺寸为2×2，使用全0补充，步长为2。

    #尺寸变化：28×28×6->14×14×6

    with tf.name_scope('layer2-pool1'):

        pool1 = tf.nn.max_pool(relu1,ksize=[1,2,2,1],strides=[1,2,2,1],padding='SAME')

    #第三层：卷积层，过滤器的尺寸为5×5，深度为16,不使用全0补充，步长为1。

    #尺寸变化：14×14×6->10×10×16

    with tf.variable_scope('layer3-conv2'):

        conv2_weights = tf.get_variable('weight',[5,5,6,16],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        conv2_biases = tf.get_variable('bias',[16],initializer=tf.constant_initializer(0.0))

        conv2 = tf.nn.conv2d(pool1,conv2_weights,strides=[1,1,1,1],padding='VALID')

        relu2 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv2,conv2_biases))

    #第四层：池化层，过滤器的尺寸为2×2，使用全0补充，步长为2。

    #尺寸变化：10×10×6->5×5×16

    with tf.variable_scope('layer4-pool2'):

        pool2 = tf.nn.max_pool(relu2,ksize=[1,2,2,1],strides=[1,2,2,1],padding='SAME')

    #将第四层池化层的输出转化为第五层全连接层的输入格式。第四层的输出为5×5×16的矩阵，然而第五层全连接层需要的输入格式

    #为向量，所以我们需要把代表每张图片的尺寸为5×5×16的矩阵拉直成一个长度为5×5×16的向量。

    #举例说，每次训练64张图片，那么第四层池化层的输出的size为(64,5,5,16),拉直为向量，nodes=5×5×16=400,尺寸size变为(64,400)

    pool_shape = pool2.get_shape().as_list()

    nodes = pool_shape[1]*pool_shape[2]*pool_shape[3]

    reshaped = tf.reshape(pool2,[-1,nodes])

    #第五层：全连接层，nodes=5×5×16=400，400->120的全连接

    #尺寸变化：比如一组训练样本为64，那么尺寸变化为64×400->64×120

    #训练时，引入dropout，dropout在训练时会随机将部分节点的输出改为0，dropout可以避免过拟合问题。

    #这和模型越简单越不容易过拟合思想一致，和正则化限制权重的大小，使得模型不能任意拟合训练数据中的随机噪声，以此达到避免过拟合思想一致。

    #本文最后训练时没有采用dropout，dropout项传入参数设置成了False，因为训练和测试写在了一起没有分离，不过大家可以尝试。

    '''tf.matmul()这个函数是专门矩阵或者tensor乘法，而不是矩阵元素对应元素相乘

    tf.multiply（）两个矩阵中对应元素各自相乘

    tf.nn.dropout(x, keep_prob):TensorFlow里面为了防止或减轻过拟合而使用的函数，它一般用在全连接层，

    x：指输入;keep_prob: 设置神经元被选中的概率,使输入tensor中某些元素变为0，其它没变0的元素变为原来的1/keep_prob大小,可以想象下，比如某些元素弃用

    在初始化时keep_prob是一个占位符,keep_prob = tf.placeholder(tf.float32).

    tensorflow在run时设置keep_prob具体的值，例如keep_prob: 0.5,train的时候才是dropout起作用的时候

    keep_prob: A scalar Tensor with the same type as x. The probability that each element is kept.'''

    with tf.variable_scope('layer5-fc1'):

        fc1_weights = tf.get_variable('weight',[nodes,120],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        if regularizer != None:

            tf.add_to_collection('losses',regularizer(fc1_weights))

        fc1_biases = tf.get_variable('bias',[120],initializer=tf.constant_initializer(0.1))

        fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(reshaped,fc1_weights) + fc1_biases)

        if train:

            fc1 = tf.nn.dropout(fc1,0.5)

    #第六层：全连接层，120->84的全连接

    #尺寸变化：比如一组训练样本为64，那么尺寸变化为64×120->64×84

    '''tf.add_to_collection：把变量放入一个集合，把很多变量变成一个列表

    tf.get_collection：从一个结合中取出全部变量，是一个列表

    tf.add_n：把一个列表的东西都依次加起来'''

    with tf.variable_scope('layer6-fc2'):

        fc2_weights = tf.get_variable('weight',[120,84],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        if regularizer != None:

            tf.add_to_collection('losses',regularizer(fc2_weights))

        fc2_biases = tf.get_variable('bias',[84],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        fc2 = tf.nn.relu(tf.matmul(fc1,fc2_weights) + fc2_biases)

        if train:

            fc2 = tf.nn.dropout(fc2,0.5)

    #第七层：全连接层（近似表示），84->10的全连接

    #尺寸变化：比如一组训练样本为64，那么尺寸变化为64×84->64×10。最后，64×10的矩阵经过softmax之后就得出了64张图片分类于每种数字的概率，

    #即得到最后的分类结果。

    with tf.variable_scope('layer7-fc3'):

        fc3_weights = tf.get_variable('weight',[84,10],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        if regularizer != None:

            tf.add_to_collection('losses',regularizer(fc3_weights))

        fc3_biases = tf.get_variable('bias',[10],initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))

        logit = tf.matmul(fc2,fc3_weights) + fc3_biases

    return logit

#正则化，交叉熵，平均交叉熵，损失函数，最小化损失函数，预测和实际equal比较，tf.equal函数会得到True或False，

#accuracy首先将tf.equal比较得到的布尔值转为float型，即True转为1.，False转为0，最后求平均值，即一组样本的正确率。

#比如：一组5个样本，tf.equal比较为[True False True False False],转化为float型为[1. 0 1. 0 0],准确率为2./5=40%。

'''规则化可以帮助防止过度配合，提高模型的适用性。（让模型无法完美匹配所有的训练项。）（使用规则来使用尽量少的变量去拟合数据）

规则化就是说给需要训练的目标函数加上一些规则（限制），让他们不要自我膨胀。

TensorFlow会将L2的正则化损失值除以2使得求导得到的结果更加简洁

如tf.contrib.layers.apply_regularization/l1_regularizer/l2_regularizer/sum_regularizer

https://blog.csdn.net/liushui94/article/details/73481112

sparse_softmax_cross_entropy_with_logits()是将softmax和cross_entropy放在一起计算

https://blog.csdn.net/ZJRN1027/article/details/80199248'''

regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(0.001)

y = inference(x,False,regularizer)

cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y,labels=y_)

cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)

loss = cross_entropy_mean + tf.add_n(tf.get_collection('losses'))

train_op = tf.train.AdamOptimizer(0.001).minimize(loss)

correct_prediction = tf.equal(tf.cast(tf.argmax(y,1),tf.int32),y_)

accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))

#每次获取batch_size个样本进行训练或测试

def get_batch(data,label,batch_size):

    for start_index in range(0,len(data)-batch_size+1,batch_size):

        slice_index = slice(start_index,start_index+batch_size)

        yield data[slice_index],label[slice_index]

#创建Session会话

with tf.Session() as sess:

    #初始化所有变量(权值，偏置等)

    sess.run(tf.global_variables_initializer())

    #将所有样本训练10次，每次训练中以64个为一组训练完所有样本。

    #train_num可以设置大一些。

    train_num = 10

    batch_size = 64

    for i in range(train_num):

        train_loss,train_acc,batch_num = 0, 0, 0

        for train_data_batch,train_label_batch in get_batch(train_data,train_label,batch_size):

            _,err,acc = sess.run([train_op,loss,accuracy],feed_dict={x:train_data_batch,y_:train_label_batch})

            train_loss+=err;train_acc+=acc;batch_num+=1

        print("train loss:",train_loss/batch_num)

        print("train acc:",train_acc/batch_num)

        test_loss,test_acc,batch_num = 0, 0, 0

        for test_data_batch,test_label_batch in get_batch(test_data,test_label,batch_size):

            err,acc = sess.run([loss,accuracy],feed_dict={x:test_data_batch,y_:test_label_batch})

            test_loss+=err;test_acc+=acc;batch_num+=1

        print("test loss:",test_loss/batch_num)

        print("test acc:",test_acc/batch_num)