深度学习训练营第一周

关于MNIST手写识别数据集的探索

一、前期工作

1、导入数据

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import datasets, layers, models
import matplotlib.pyplot as plt

(train_images, train_labels), (test_images,test_labels) = datasets.mnist.load_data()![请添加图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/503266d154bd43bdbc02f68ff57c3e29.png)

2. 归一化

• 常用0-1归一化，能够消除量纲影响
• 使得不同量纲特征梯度值相差不大，收敛速度相近，方便使用统一的加速模型训练，模型收敛平稳
• 使得大方差的特征影响减小

#图像为28*28的图片，因此像素取值在0-255
train_images, test_images = train_images/255.0, test_images/255.0

3、可视化图片

plt.figure(figsize=(20,10))

#遍历前20个图片
for i in range(20):
    plt.subplot(2,10,i+1)
    plt.imshow(train_images[i])
    plt.xlabel(train_labels[i])
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    
plt.show()

4、调整图片到我们需要的格式

train_images = train_images.reshape((60000,28,28,1))#CNN网络模型需要宽、高和深度的三维数据结构
test_images = test_images.reshape((60000,28,28,1))

train_images.shape

二 构建CNN网络模型

1、关于神经网络的一些基础知识

激活函数

首先以线性回归预测模型为例，预测值可以表示为输入特征的加权求和，而神经网络会多次重复该加权求和过程，首先计算代表中间过程的隐单元，在将这些隐单元加权求和。若是这样则无论网络如何复杂，最后的输出都应是相同的加权求和，因此在每个隐单元后添加激活函数，决定对应单元是否传递信号以及发送给下一个神经元的内容。
为了增强网络的表示能力和学习能力，神经网络的激活函数都是非线性的

关于卷积神经网络CNN

• 通常由卷积层、池化层、全连接层三部分组成

卷积层

主要用于提取数据特征，类似滤波矩阵，以二维为例：是将原数据矩阵与设计的卷积核矩阵做卷积运算，按照步长stride进行平移矩阵对应元素做乘积并求和，直到将原矩阵每个部分都覆盖未知。
感受野：
我们让每个神经元只与输入数据的一个局部区域连接。该连接的空间大小叫做神经元的感受野（receptive field），它的尺寸是一个超参数（其实就是滤波器的空间尺寸）。
在深度方向上，这个连接的大小总是和输入量的深度相等。需要强调，对待空间维度（宽和高）与深度维度是不同的：连接在空间（宽高）上是局部的，但是在深度上总是和输入数据的深度一致，
局部感知：
因为两个相距很远的像素之间的关系并不大。因而，每个神经元其实没有必要对全局图像进行感知，只需要对局部进行感知，然后在更高层将局部的信息综合起来就得到了全局的信息。

池化层

• 作用是减少特征数量

  以2828像素像素为例，若仅提取一种特征假定卷积核为33，则卷积得到（28-3+1）（28-3+1）=676维卷积特征，容易过拟合，同时对计算机性能也提出要求。为此可以对不同未知的特征进行聚合统计，这种聚合的操作就叫做池化 (pooling)，有时也称为平均池化或者最大池化
  这也可以被视为一种特殊的卷积，通常采用22的格式，并取步长为2

全连接层

在整个卷积神经网络中起到“分类器”的作用。如果说卷积层、池化层和激活函数层等操作是将原始数据映射到隐层特征空间的话，全连接层则起到将学到的“分布式特征表示”映射到样本标记空间的作用。
在 CNN 中，全连接常出现在最后几层，用于对前面设计的特征做加权和
全连接层中的每个神经元与其前一层的所有神经元进行全连接．全连接层可以整合卷积层或者池化层中具有类别区分性的局部信息．为了提升 CNN网络性能，全连接层每个神经元的激励函数一般采用ReLU函数。最后一层全连接层的输出值被传递给一个输出，可以采用softmax逻辑回归（softmax regression）进行 分 类，该层也可 称为 softmax层
简单的说就是将特征表示整合成一个值，其优点在于减少特征位置对于分类结果的影响，提高了整个网络的鲁棒性

大致流程

卷积( Conv2d ) -> 激励函数( ReLU ) -> 池化, 向下采样 ( MaxPooling ) -> 再来一遍 -> 展平多维的卷积成的特征图 -> 接入全连接层 ( Linear ) -> 输出

2 构建模型

• 激活函数：输入值为正，ReLu函数f(x)=max(0,x)。作为激活函数可以增强判定函数和整个神经网络的非线性特性，而本身并不会改变卷积层 相比其它函数来说，ReLU函数更受青睐，这是因为它可以将神经网络的训练速度提升数倍，而并不会对模型的泛化准确度造成显著影响。
• 卷积核：卷积核一般为2n+1*2n+1的矩阵，核的数量根据硬件配置以16的倍数倍增，下层数量倍增
• Flatten层，用于将输入层的数据压成一维的数据，因为全连接层只能接收一维数据，而卷积层可以处理二维数据，就是全连接层处理的是向量，而卷积层处理的是矩阵

model = models.Sequential([
    layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu',input_shape=(28,28,1)),
    #设置第一层的2维卷积层，共32个3*3的卷积核
    layers.MaxPool2D((2,2)), #池化层1，2*2
    layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu'), #卷积层2,64个 3*3，
    layers.MaxPool2D((2,2)), #池化层2
    layers.Flatten(),
    layers.Dense(64,activation='relu'), #特征进一步提取，64维输出一维空间长度
    layers.Dense(10,activation='softmax') #用softmax函数进行分类,输出层
])
#Sequential的精髓是将一些网络层线性堆叠在一起，最后组成tf.keras.Model的方式。因此可以认为Sequential是tf.keras.Model的一种特殊形式。
#Sequential的组成方式是layer-by-layer，优点是实现起来最简明，但网络只能是线性结构，所以适合构建结构比较简单的线性网络。

model.summary()

Model: “sequential”

---

Layer (type) Output Shape Param #

conv2d (Conv2D) (None, 26, 26, 32) 320

max_pooling2d (MaxPooling2D (None, 13, 13, 32) 0
)

conv2d_1 (Conv2D) (None, 11, 11, 64) 18496

max_pooling2d_1 (MaxPooling (None, 5, 5, 64) 0
2D)

flatten (Flatten) (None, 1600) 0

dense (Dense) (None, 64) 102464

dense_1 (Dense) (None, 10) 650

=================================================================
Total params: 121,930
Trainable params: 121,930
Non-trainable params: 0

---

三、编译模型

# model.compile()方法用于在配置训练方法时，告知训练时用的优化器、损失函数和准确率评测标准
model.compile(
    #设置优化器为Adam
    optimizer='adam',
    #设置损失函数为交叉熵损失函数
    # from_logits为True时，会将y_pred转化为概率（用softmax），否则不进行转换，通常情况下用True结果更稳定
    loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
    # 设置性能指标列表，将在模型训练时监控列表中的指标
    metrics=['accuracy'])

四、训练模型

history = model.fit(
    #输入训练集
    train_images,
    #训练集标签
    train_labels,
    # 设置10个epoch，每一个epoch都将会把所有的数据输入模型完成一次训练，训练轮次。
    epochs=10, 
    # 设置验证集
    validation_data=(test_images, test_labels))

五 模型预测

#输出结果为一个长度为10的数组，表示图片为0-9中各个数的概率大小
plt.imshow(test_images[5])
pre = model.predict(test_images)
print(pre[5])

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