深度学习100例-卷积神经网络(CNN)实现mnist手写数字识别 | 第1天

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本文 GitHub https://github.com/kzbkzb/Python-AI 已收录,有 Python、深度学习的资料以及我的系列文章。


我的环境:

  • 语言环境:Python3.6.5
  • 编译器:jupyter notebook
  • 深度学习环境:TensorFlow2
  • 数据和代码:【传送门】

来自专栏:【深度学习100例】

一、前期工作

1. 设置GPU(如果使用的是CPU可以忽略这步)

import tensorflow as tf
gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")

if gpus:
    gpu0 = gpus[0] #如果有多个GPU,仅使用第0个GPU
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu0, True) #设置GPU显存用量按需使用
    tf.config.set_visible_devices([gpu0],"GPU")

2. 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()

3. 归一化

# 将像素的值标准化至0到1的区间内。
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0

train_images.shape,test_images.shape,train_labels.shape,test_labels.shape
"""
输出:((60000, 28, 28), (10000, 28, 28), (60000,), (10000,))
"""

4. 可视化图片

plt.figure(figsize=(20,10))
for i in range(20):
    plt.subplot(5,10,i+1)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.grid(False)
    plt.imshow(train_images[i], cmap=plt.cm.binary)
    plt.xlabel(train_labels[i])
plt.show()
在这里插入图片描述

5. 调整图片格式

#调整数据到我们需要的格式
train_images = train_images.reshape((60000, 28, 28, 1))
test_images = test_images.reshape((10000, 28, 28, 1))

train_images.shape,test_images.shape,train_labels.shape,test_labels.shape
"""
输出:((60000, 28, 28, 1), (10000, 28, 28, 1), (60000,), (10000,))
"""

二、构建CNN网络模型

model = models.Sequential([
    layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)),#卷积层1,卷积核3*3
    layers.MaxPooling2D((2, 2)),                   #池化层1,2*2采样
    layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'),  #卷积层2,卷积核3*3
    layers.MaxPooling2D((2, 2)),                   #池化层2,2*2采样
    
    layers.Flatten(),                              #Flatten层,连接卷积层与全连接层
    layers.Dense(64, activation='relu'),           #全连接层,特征进一步提取
    layers.Dense(10)                               #输出层,输出预期结果
])
# 打印网络结构
model.summary()
image

三、编译模型

"""
这里设置优化器、损失函数以及metrics
这三者具体介绍可参考我的博客:
https://blog.csdn.net/qq_38251616/category_10258234.html
"""
model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

四、训练模型

"""
这里设置输入训练数据集(图片及标签)、验证数据集(图片及标签)以及迭代次数epochs
关于model.fit()函数的具体介绍可参考我的博客:
https://blog.csdn.net/qq_38251616/category_10258234.html
"""
history = model.fit(train_images, train_labels, epochs=10, 
                    validation_data=(test_images, test_labels))
在这里插入图片描述

五、预测

通过下面的网络结构我们可以简单理解为,输入一张图片,将会得到一组数,这组代表这张图片上的数字为0~9中每一个数字的几率,out数字越大可能性越大。

image

在这一步中部分同学会因为 matplotlib 版本原因报 Invalid shape (28, 28, 1) for image data 的错误提示,可以将代码改为 plt.imshow(test_images[1].reshape(28,28))

plt.imshow(test_images[1])
在这里插入图片描述

输出测试集中第一张图片的预测结果

pre = model.predict(test_images) # 对所有测试图片进行预测
pre[1] # 输出第一张图片的预测结果

六、知识点详解

本文使用的是最简单的CNN模型- -LeNet-5,如果是第一次接触深度学习的话,可以先试着把代码跑通,然后再尝试去理解其中的代码。

1. MNIST手写数字数据集介绍

MNIST手写数字数据集来源于是美国国家标准与技术研究所,是著名的公开数据集之一。数据集中的数字图片是由250个不同职业的人纯手写绘制,数据集获取的网址为:http://yann.lecun.com/exdb/mnist/(下载后需解压)。我们一般会采用(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.mnist.load_data()这行代码直接调用,这样就比较简单

MNIST手写数字数据集中包含了70000张图片,其中60000张为训练数据,10000为测试数据,70000张图片均是28*28,数据集样本如下:

在这里插入图片描述

如果我们把每一张图片中的像素转换为向量,则得到长度为28*28=784的向量。因此我们可以把训练集看成是一个[60000,784]的张量,第一个维度表示图片的索引,第二个维度表示每张图片中的像素点。而图片里的每个像素点的值介于0-1之间。

在这里插入图片描述

2. 神经网络程序说明

神经网络程序可以简单概括如下:


在这里插入图片描述

3. 网络结构说明

模型的结构

在这里插入图片描述

各层的作用

  • 输入层:用于将数据输入到训练网络
  • 卷积层:使用卷积核提取图片特征
  • 池化层:进行下采样,用更高层的抽象表示图像特征
  • Flatten层:将多维的输入一维化,常用在卷积层到全连接层的过渡
  • 全连接层:起到“特征提取器”的作用
  • 输出层:输出结果

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