从零使用TensorFlow搭建CNN（卷积）神经网络

写在前面
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总览

本节内容主要向大家介绍如何使用TensorFlow快速搭建自己的卷积神经网络，并通过cifar数据集训练验证。文章最后会有相关内容知识点的补给。

数据集简介

Cifar-10 是由 Hinton 的学生 Alex Krizhevsky、Ilya Sutskever 收集的一个用于普适物体识别的计算机视觉数据集，它包含 60000 张 32 X 32 的 RGB 彩色图片，总共 10 个分类。其中，包括 50000 张用于训练集，10000 张用于测试集。

第三方库准备

import tensorflow as tf

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt

该项目使用上述第三方库，大家提前下载需要提前下载好。

加载数据

cifar10 = tf.keras.datasets.cifar10
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = cifar10.load_data()
x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0

首次使用需要联网下载一段时间数据集，大家耐心等待下。

搭建cnn模型类以及相关方法

# 继承自tf.keras.Model
class Baseline(tf.keras.Model):
    def __init__(self):
        super(Baseline, self).__init__()
        # 第一层卷积
        self.c1 = tf.keras.layers.Conv2D(filters=6, kernel_size=(5, 5), padding='same')
        # 第一层BN
        self.b1 = tf.keras.layers.BatchNormalization()
        # 激活函数层
        self.a1 = tf.keras.layers.Activation('relu')
        # 池化层
        self.p1 = tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), strides=2, padding='same')
        # Dropout层
        self.d1 = tf.keras.layers.Dropout(0.2)
        # 将卷积获得的网络拉平以便后序全连接层使用
        self.flatten = tf.keras.layers.Flatten()
        # 一层全连接
        self.f1 = tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu')
        # 又一层dropout
        self.d2 = tf.keras.layers.Dropout(0.2)
        # 第二层全连接
        self.f2 = tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax')
		# 读入inputs数据，并进行操作返回
    def call(self, inputs):
        x = self.c1(inputs)
        x = self.b1(x)
        x = self.a1(x)
        x = self.p1(x)
        x = self.d1(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.f1(x)
        x = self.d2(x)
        y = self.f2(x)
        return y

训练模型

# 创建模型对象
model = Baseline()
# 指明优化器、损失函数、准确率计算函数
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=False),
              metrics=[tf.keras.metrics.sparse_categorical_accuracy])
# 开始训练
history = model.fit(x_train, y_train, batch_size=32, epochs=5, validation_data=(x_test, y_test), validation_freq=1)
# 展示训练的过程
model.summary()

画图展示结果

# show
acc = history.history['sparse_categorical_accuracy']
val_acc = history.history['val_sparse_categorical_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
print(acc)
print(val_loss)

plt.figure(figsize=(8, 8))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.legend()

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(loss, label='Training loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation loss')
plt.title('Training and Validation loss')
plt.legend()
plt.show()

分别展示了训练集和测试集上精确度、损失值的对比

项目整体代码

import tensorflow as tf

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt

np.set_printoptions(threshold=np.inf)

cifar10 = tf.keras.datasets.cifar10
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = cifar10.load_data()
x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0


class Baseline(tf.keras.Model):
    def __init__(self):
        super(Baseline, self).__init__()
        self.c1 = tf.keras.layers.Conv2D(filters=6, kernel_size=(5, 5), padding='same')
        self.b1 = tf.keras.layers.BatchNormalization()
        self.a1 = tf.keras.layers.Activation('relu')
        self.p1 = tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), strides=2, padding='same')
        self.d1 = tf.keras.layers.Dropout(0.2)
        self.flatten = tf.keras.layers.Flatten()
        self.f1 = tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu')
        self.d2 = tf.keras.layers.Dropout(0.2)
        self.f2 = tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax')

    def call(self, inputs):
        x = self.c1(inputs)
        x = self.b1(x)
        x = self.a1(x)
        x = self.p1(x)
        x = self.d1(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.f1(x)
        x = self.d2(x)
        y = self.f2(x)
        return y


model = Baseline()
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=False),
              metrics=[tf.keras.metrics.sparse_categorical_accuracy])
history = model.fit(x_train, y_train, batch_size=32, epochs=5, validation_data=(x_test, y_test), validation_freq=1)
model.summary()

# show
acc = history.history['sparse_categorical_accuracy']
val_acc = history.history['val_sparse_categorical_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
print(acc)
print(val_loss)

plt.figure(figsize=(8, 8))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.title('Training and Validation Accuracy')
plt.legend()

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(loss, label='Training loss')
plt.plot(val_loss, label='Validation loss')
plt.title('Training and Validation loss')
plt.legend()
plt.show()

运行结果

部分知识点整理

模型建立

• tf.keras.models.Sequential([网络结构]) # 描述各层网洛Sequentail()可以认为是个容器，这个容器里封装了一个神经网络结构。在Sequential中要描述从输入层到输出层每一层的网络结构。
  每一层的网络结构可以是
• 拉直层： tf.keras.layers.Flatten() ，这一层不含计算，只是形状转换，把输入特征拉直，变成一维数组
• 全连接层：
  tf.keras.layers.Dense(神经元个数，activation=“激活函数”，kernel_regularizer=哪种正则化),这一层告知神经元个数、使用什么激活函数、采用什么正则化方法 激活函数可以选择relu, softmax, sigmoid, tanh等
• 正则化可以选择 tf.keras.regularizers.l1(), tf.keras.relularizers.l2()
• 卷积神经网络层：tf.keras.layers.Conv2D(filters=卷积核个数,kernel_size=卷积核尺寸,strides=卷积步长， padding=“valid” or “same”)
• 循环神经网络层：tf.keras.layers.LSTM()

model.compile

model.compile(optimizer=优化器，loss=损失函数，metrics=["准确率"])在这里告知训练时选择的优化器、损失函数、和评测指标。 这些参数都可以使用字符串形式或函数形式

• optimizer: 引导神经网络更新参数

  • sgd or tf.keras.optimizer.SGD(lr=学习率，momentum=动量参数)
  • adagrad or tf.keras.optimizer.Adagrad(lr=学习率)
  • adadelta or tf.keras.optimizer.Adadelta(lr=学习率)
  • adam or tf.keras.optimizer.Adam(lr=学习率， beta_1=0.9, beta_2=0.999)

• loss: 损失函数

  • mes or tf.keras.losses.MeanSquaredError()

  • sparse_categorical_crossentropy or
    tf.keras.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=False)（是原始输出还是经过概率分布）

• metrics：评测指标

  • accuracy：y_ 和 y 都是数值，如y_=[1] y=[1]
  • categorical_accuracy: y_和y都是独热码（概率分布），如y_=[0, 1, 0], y=[0.256, 0.695,
    0.048]
  • sparse_categorical_accuracy: y_是数值，y是独热码（概率分布）,如y_=[1], y=[0.256,
    0.695, 0.048]

训练模型

 model.fit(训练集的输入特征，训练集的标签，batch_size= 每次喂入神经网络的样本数, epochs=迭代多少次数据集, validation_data=(测试集的输入特征，测试集的标签，), validation_split=从训练集划分多少比例给测试集，validation_freq=多少次epoch测试一次)

打印网络结构和参数统计

 model.summary()