Deep Learning-TensorFlow (1) CNN卷积神经网络_MNIST手写数字识别代码实现

环境：Win8.1 TensorFlow1.0.0

软件：Anaconda3 （集成Python3及开发环境）

TensorFlow安装：pip install tensorflow (CPU版) pip install tensorflow-gpu (GPU版)

TensorFlow是一个非常强大的用来做大规模数值计算的库。其所擅长的任务之一就是实现以及训练深度神经网络。

在博文中，将构建一个TensorFlow模型的基本步骤，并将通过这些步骤为MNIST构建一个深度卷积神经网络。

加载MNIST数据

为了方便起见，准备一个脚本来自动下载和导入MNIST数据集。它会自动创建一个'MNIST_data'的目录来存储数据。

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

mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)

运行TensorFlow的Session

Tensorflow依赖于一个高效的C++后端来进行计算。与后端的这个连接叫做session。一般而言，使用TensorFlow程序的流程是先创建一个图，然后在session中启动它。

import tensorflow as tf

sess = tf.Session()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

构建Softmax 回归模型

建立一个拥有一个线性层的softmax回归模型。

占位符

通过为输入图像和目标输出类别创建节点，来开始构建计算图。

这里的x和y并不是特定的值，相反，他们都只是一个占位符，可以在TensorFlow运行某一计算时根据该占位符输入具体的值。
输入图片x是一个2维的浮点数张量。这里，分配给它的shape为[None, 784]，其中784是一张展平的MNIST图片的维度。None表示其值大小不定，在这里作为第一个维度值，用以指代batch的大小，意即x的数量不定。输出类别值y_也是一个2维张量，其中每一行为一个10维的one-hot向量,用于代表对应某一MNIST图片的类别。
虽然placeholder的shape参数是可选的，但有了它，TensorFlow能够自动捕捉因数据维度不一致导致的错误。

x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784]) 
y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None,10])

变量

现在为模型定义权重W和偏置b。可以将它们当作额外的输入量，但是TensorFlow有一个更好的处理方式：变量。一个变量代表着TensorFlow计算图中的一个值，能够在计算过程中使用，甚至进行修改。在机器学习的应用过程中，模型参数一般用Variable来表示。

为了创建这个模型，我们需要创建大量的权重和偏置项。这个模型中的权重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（dead neurons）。为了不在建立模型的时候反复做初始化操作，我们定义两个函数用于初始化。

def weight_variable(shape):
    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev = 0.1) # 截断正态分布
    return tf.Variable(initial)

def bias_variable(shape):
    initial = tf.constant(0.1, shape=shape) # 常量0.1
    return tf.Variable(initial)

卷积和池化

TensorFlow在卷积和池化上有很强的灵活性。我们怎么处理边界？步长应该设多大？在这个实例里，我们会一直使用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。为了代码更简洁，我们把这部分抽象成一个函数。

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')

卷积层

现在我们可以开始实现第一层了。它由一个卷积接一个max pooling完成。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])

为了用这一层，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 pooling。

同理，可以建立结构不变，输入32个通道，输出64个通道的第二层卷积层。

全连接层

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

为了减少过拟合，我们在输出层之前加入dropout。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。这样我们可以在训练过程中启用dropout，在测试过程中关闭dropout。 TensorFlow的tf.nn.dropout操作除了可以屏蔽神经元的输出外，还会自动处理神经元输出值的scale。所以用dropout的时候可以不用考虑scale。

keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)

输出层

最后，我们添加一个softmax层，把向量化后的图片x和权重矩阵W相乘，加上偏置b，然后计算每个分类的softmax概率值。

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)

类别预测与损失函数

可以很容易的为训练过程指定最小化误差用的损失函数，我们的损失函数是目标类别和预测类别之间的交叉熵。

cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y_conv))  # 计算交叉熵

训练模型

我们已经定义好模型和训练用的损失函数，那么用TensorFlow进行训练就很简单了。因为TensorFlow知道整个计算图，它可以使用自动微分法找到对于各个变量的损失的梯度值。TensorFlow有大量内置的优化算法 这个例子中，我们用最速下降法让交叉熵下降，步长为0.0001.

这一行代码实际上是用来往计算图上添加一个新操作，其中包括计算梯度，计算每个参数的步长变化，并且计算出新的参数值。
返回的train_step操作对象，在运行时会使用梯度下降来更新参数。因此，整个模型的训练可以通过反复地运行train_step来完成。

train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)

for i in range(1000):
	batch = mnist.train.next_batch(50)
	train_step.run(session=sess, feed_dict={x:batch[0], y_:batch[1], keep_prob:0.5})

每一步迭代，我们都会加载50个训练样本，然后执行一次train_step，并通过feed_dict将x 和 y_张量占位符用训练训练数据替代。
注意，在计算图中，你可以用feed_dict来替代任何张量，并不仅限于替换占位符。

评估模型

那么我们的模型性能如何呢？

首先让我们找出那些预测正确的标签。tf.argmax 是一个非常有用的函数，它能给出某个tensor对象在某一维上的其数据最大值所在的索引值。由于标签向量是由0,1组成，因此最大值1所在的索引位置就是类别标签，比如tf.argmax(y,1)返回的是模型对于任一输入x预测到的标签值，而 tf.argmax(y_,1) 代表正确的标签，我们可以用 tf.equal 来检测我们的预测是否真实标签匹配(索引位置一样表示匹配)。

correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(y_,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))

这里返回一个布尔数组。为了计算我们分类的准确率，我们将布尔值转换为浮点数来代表对、错，然后取平均值。例如：[True, False, True, True]变为[1,0,1,1]，计算出平均值为0.75。

至此我们的模型建立完毕。

完整代码：

# -*- coding: utf-8 -*-

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

''' 
权重w和偏置b
初始化为一个接近0的很小的正数
'''
def weight_variable(shape):
    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev = 0.1) # 截断正态分布
    return tf.Variable(initial)

def bias_variable(shape):
    initial = tf.constant(0.1, shape=shape) # 常量0.1
    return tf.Variable(initial)

'''
卷积和池化，卷积步长为1（stride size），0边距（padding size）
池化用简单传统的2x2大小的模板max pooling
'''
def conv2d(x, W):
    # strides[1,,,1]默认为1，中间两位为size，padding same为0，保证输入输出大小一致
    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')

# 计算开始时间
start = time.clock()
# MNIST数据输入
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)
# 图像输入输出向量
x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784]) 
y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None,10])

# 第一层，由一个卷积层加一个maxpooling层
# 卷积核的大小为5x5，个数为32
# 卷积核张量形状是[5, 5, 1, 32]，对应size，输入通道为1，输出通道为32
# 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])
# 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
x_image = tf.reshape(x, [-1, 28, 28, 1]) # -1代表None
# x_image权重向量卷积，加上偏置项，之后应用ReLU函数，之后进行max_polling
h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(x_image,W_conv1) + b_conv1)
h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)

# 第二层，结构不变，输入32个通道，输出64个通道
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)


# 全连接层
'''
图片尺寸变为7x7（28/2/2=7），加入有1024个神经元的全连接层，把池化层输出张量reshape成向量
乘上权重矩阵，加上偏置，然后进行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，用来防止过拟合
# 加在输出层之前，训练过程中开启dropout，测试过程中关闭
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)

# 输出层, 添加softmax层，类别数为10
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
'''
ADAM优化器来做梯度最速下降，feed_dict加入参数keep_prob控制dropout比例
'''
cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y_conv))  # 计算交叉熵
# 使用adam优化器来以0.0001的学习率来进行微调
train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)
# 判断预测标签和实际标签是否匹配
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(y_,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))

# 启动创建的模型，并初始化变量
sess = tf.Session()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

# 开始训练模型，循环训练1000次
for i in range(1000):
	batch = mnist.train.next_batch(50) # batch 大小设置为50
	if i%100 == 0:
		train_accuracy = accuracy.eval(session=sess,
                                 feed_dict={x:batch[0], y_:batch[1], keep_prob:1.0})
		print("step %d, train_accuracy %g" %(i,train_accuracy))
	# 神经元输出保持keep_prob为0.5，进行训练
	train_step.run(session=sess, feed_dict={x:batch[0], y_:batch[1], keep_prob:0.5})

# 神经元输出保持keep_prob为1.0，进行测试
print("test accuracy %g" %accuracy.eval(session=sess,
                                        feed_dict={x:mnist.test.images, y_:mnist.test.labels, keep_prob:1.0}))
	
# 计算程序结束时间
end = time.clock()
print("running time is %g s" %(end-start))