一步一步學用Tensorflow構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　0. 簡介

　　在過去，我寫的主要都是“傳統(tǒng)類”的機器學習文章，如樸素貝葉斯分類、邏輯回歸和Perceptron算法。在過去的一年中，我一直在研究深度學習技術(shù)，因此，我想和大家分享一下如何使用Tensorflow從頭開始構(gòu)建和訓練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這樣，我們以后就可以將這個知識作為一個構(gòu)建塊來創(chuàng)造有趣的深度學習應(yīng)用程序了。

　　為此，你需要安裝Tensorflow(請參閱安裝說明)，你還應(yīng)該對Python編程和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)背后的理論有一個基本的了解。安裝完Tensorflow之后，你可以在不依賴GPU的情況下運行一個較小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但對于更深層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就需要用到GPU的計算能力了。

　　在互聯(lián)網(wǎng)上有很多解釋卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理方面的網(wǎng)站和課程，其中有一些還是很不錯的，圖文并茂、易于理解[點擊此處獲取更多信息]。我在這里就不再解釋相同的東西，所以在開始閱讀下文之前，請?zhí)崆傲私饩矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理。例如：

　　什么是卷積層，卷積層的過濾器是什么?

　　什么是激活層(ReLu層(應(yīng)用最廣泛的)、S型激活或tanh)?

　　什么是池層(最大池/平均池)，什么是dropout?

　　隨機梯度下降的工作原理是什么?

　　本文內(nèi)容如下：

　　Tensorflow基礎(chǔ)

　　1.1 常數(shù)和變量

　　1.2 Tensorflow中的圖和會話

　　1.3 占位符和feed_dicts

　　Tensorflow中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　2.1 介紹

　　2.2 數(shù)據(jù)加載

　　2.3 創(chuàng)建一個簡單的一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　2.4 Tensorflow的多個方面

　　2.5 創(chuàng)建LeNet5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　2.6 影響層輸出大小的參數(shù)

　　2.7 調(diào)整LeNet5架構(gòu)

　　2.8 學習速率和優(yōu)化器的影響

　　Tensorflow中的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　3.1 AlexNet

　　3.2 VGG Net-16

　　3.3 AlexNet性能

　　結(jié)語

　　1. Tensorflow 基礎(chǔ)

　　在這里，我將向以前從未使用過Tensorflow的人做一個簡單的介紹。如果你想要立即開始構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者已經(jīng)熟悉Tensorflow，可以直接跳到第2節(jié)。如果你想了解更多有關(guān)Tensorflow的信息，你還可以查看這個代碼庫，或者閱讀斯坦福大學CS20SI課程的講義1和講義2。

　　1.1 常量與變量

　　Tensorflow中最基本的單元是常量、變量和占位符。

　　tf.constant()和tf.Variable()之間的區(qū)別很清楚;一個常量有著恒定不變的值，一旦設(shè)置了它，它的值不能被改變。而變量的值可以在設(shè)置完成后改變，但變量的數(shù)據(jù)類型和形狀無法改變。

　　#We can create constants and variables of different types.

　　#However, the different types do not mix well together.

　　a = tf.constant(2, tf.int16)

　　b = tf.constant(4, tf.float32)

　　c = tf.constant(8, tf.float32)

　　d = tf.Variable(2, tf.int16)

　　e = tf.Variable(4, tf.float32)

　　f = tf.Variable(8, tf.float32)

　　#we can perform computations on variable of the same type: e + f

　　#but the following can not be done: d + e

　　#everything in Tensorflow is a tensor, these can have different dimensions:

　　#0D, 1D, 2D, 3D, 4D, or nD-tensors

　　g = tf.constant(np.zeros(shape=(2,2), dtype=np.float32)) #does work

　　h = tf.zeros([11], tf.int16)

　　i = tf.ones([2,2], tf.float32)

　　j = tf.zeros([1000,4,3], tf.float64)

　　k = tf.Variable(tf.zeros([2,2], tf.float32))

　　l = tf.Variable(tf.zeros([5,6,5], tf.float32))

　　除了tf.zeros()和tf.ones()能夠創(chuàng)建一個初始值為0或1的張量(見這里)之外，還有一個tf.random_normal()函數(shù)，它能夠創(chuàng)建一個包含多個隨機值的張量，這些隨機值是從正態(tài)分布中隨機抽取的(默認的分布均值為0.0，標準差為1.0)。

　　另外還有一個tf.truncated_normal()函數(shù)，它創(chuàng)建了一個包含從截斷的正態(tài)分布中隨機抽取的值的張量，其中下上限是標準偏差的兩倍。

　　有了這些知識，我們就可以創(chuàng)建用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重矩陣和偏差向量了。

　　weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([256 * 256, 10]))

　　biases = tf.Variable(tf.zeros([10]))

　　print(weights.get_shape().as_list())

　　print(biases.get_shape().as_list())

　　>>>[65536, 10]

　　>>>[10]

　　1.2 Tensorflow 中的圖與會話

　　在Tensorflow中，所有不同的變量以及對這些變量的操作都保存在圖(Graph)中。在構(gòu)建了一個包含針對模型的所有計算步驟的圖之后，就可以在會話(Session)中運行這個圖了。會話可以跨CPU和GPU分配所有的計算。

　　graph = tf.Graph()

　　with graph.as_default():

　　a = tf.Variable(8, tf.float32)

　　b = tf.Variable(tf.zeros([2,2], tf.float32))

　　with tf.Session(graph=graph) as session:

　　tf.global_variables_initializer().run()

　　print(f)

　　print(session.run(f))

　　print(session.run(k))

　　>>>

　　>>> 8

　　>>> [[ 0. 0.]

　　>>> [ 0. 0.]]

　　1.3 占位符 與 feed_dicts

　　我們已經(jīng)看到了用于創(chuàng)建常量和變量的各種形式。Tensorflow中也有占位符，它不需要初始值，僅用于分配必要的內(nèi)存空間。 在一個會話中，這些占位符可以通過feed_dict填入(外部)數(shù)據(jù)。

　　以下是占位符的使用示例。

　　list_of_points1_ = [[1,2], [3,4], [5,6], [7,8]]

　　list_of_points2_ = [[15,16], [13,14], [11,12], [9,10]]

　　list_of_points1 = np.array([np.array(elem).reshape(1,2) for elem in list_of_points1_])

　　list_of_points2 = np.array([np.array(elem).reshape(1,2) for elem in list_of_points2_])

　　graph = tf.Graph()

　　with graph.as_default():

　　#we should use a tf.placeholder() to create a variable whose value you will fill in later (during session.run()).

　　#this can be done by 'feeding' the data into the placeholder.

　　#below we see an example of a method which uses two placeholder arrays of size [2,1] to calculate the eucledian distance

　　point1 = tf.placeholder(tf.float32, shape=(1, 2))

　　point2 = tf.placeholder(tf.float32, shape=(1, 2))

　　def calculate_eucledian_distance(point1, point2):

　　difference = tf.subtract(point1, point2)

　　power2 = tf.pow(difference, tf.constant(2.0, shape=(1,2)))

　　add = tf.reduce_sum(power2)

　　eucledian_distance = tf.sqrt(add)

　　return eucledian_distance

　　dist = calculate_eucledian_distance(point1, point2)

　　with tf.Session(graph=graph) as session:

　　tf.global_variables_initializer().run()

　　for ii in range(len(list_of_points1)):

　　point1_ = list_of_points1[ii]

　　point2_ = list_of_points2[ii]

　　feed_dict = {point1 : point1_, point2 : point2_}

　　distance = session.run([dist], feed_dict=feed_dict)

　　print("the distance between {} and {} -> {}".format(point1_, point2_, distance))

　　>>> the distance between [[1 2]] and [[15 16]] -> [19.79899]

　　>>> the distance between [[3 4]] and [[13 14]] -> [14.142136]

　　>>> the distance between [[5 6]] and [[11 12]] -> [8.485281]

　　>>> the distance between [[7 8]] and [[ 9 10]] -> [2.8284271]

　　2. Tensorflow 中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　2.1 簡介

　　包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖(如上圖所示)應(yīng)包含以下步驟：

　　1. 輸入數(shù)據(jù)集：訓練數(shù)據(jù)集和標簽、測試數(shù)據(jù)集和標簽(以及驗證數(shù)據(jù)集和標簽)。 測試和驗證數(shù)據(jù)集可以放在tf.constant()中。而訓練數(shù)據(jù)集被放在tf.placeholder()中，這樣它可以在訓練期間分批輸入(隨機梯度下降)。

　　2. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)**模型**及其所有的層。這可以是一個簡單的完全連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，僅由一層組成，或者由5、9、16層組成的更復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　3. 權(quán)重矩陣和**偏差矢量**以適當?shù)男螤钸M行定義和初始化。(每層一個權(quán)重矩陣和偏差矢量)

　　4. 損失值：模型可以輸出分對數(shù)矢量(估計的訓練標簽)，并通過將分對數(shù)與實際標簽進行比較，計算出損失值(具有交叉熵函數(shù)的softmax)。損失值表示估計訓練標簽與實際訓練標簽的接近程度，并用于更新權(quán)重值。

　　5. 優(yōu)化器：它用于將計算得到的損失值來更新反向傳播算法中的權(quán)重和偏差。

　　2.2 數(shù)據(jù)加載

　　下面我們來加載用于訓練和測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集。為此，我們要下載MNIST和CIFAR-10數(shù)據(jù)集。 MNIST數(shù)據(jù)集包含了6萬個手寫數(shù)字圖像，其中每個圖像大小為28 x 28 x 1(灰度)。 CIFAR-10數(shù)據(jù)集也包含了6萬個圖像(3個通道)，大小為32 x 32 x 3，包含10個不同的物體(飛機、汽車、鳥、貓、鹿、狗、青蛙、馬、船、卡車)。 由于兩個數(shù)據(jù)集中都有10個不同的對象，所以這兩個數(shù)據(jù)集都包含10個標簽。

　　首先，我們來定義一些方便載入數(shù)據(jù)和格式化數(shù)據(jù)的方法。

　　def randomize(dataset, labels):

　　permutation = np.random.permutation(labels.shape[0])

　　shuffled_dataset = dataset[permutation, :, :]

　　shuffled_labels = labels[permutation]

　　return shuffled_dataset, shuffled_labels

　　def one_hot_encode(np_array):

　　return (np.arange(10) == np_array[:,None]).astype(np.float32)

　　def reformat_data(dataset, labels, image_width, image_height, image_depth):

　　np_dataset_ = np.array([np.array(image_data).reshape(image_width, image_height, image_depth) for image_data in dataset])

　　np_labels_ = one_hot_encode(np.array(labels, dtype=np.float32))

　　np_dataset, np_labels = randomize(np_dataset_, np_labels_)

　　return np_dataset, np_labels

　　def flatten_tf_array(array):

　　shape = array.get_shape().as_list()

　　return tf.reshape(array, [shape[0], shape[1] shape[2] shape[3]])

　　def accuracy(predictions, labels):

　　return (100.0 * np.sum(np.argmax(predictions, 1) == np.argmax(labels, 1)) / predictions.shape[0])

　　這些方法可用于對標簽進行獨熱碼編碼、將數(shù)據(jù)加載到隨機數(shù)組中、扁平化矩陣(因為完全連接的網(wǎng)絡(luò)需要一個扁平矩陣作為輸入)：

　　在我們定義了這些必要的函數(shù)之后，我們就可以這樣加載MNIST和CIFAR-10數(shù)據(jù)集了：

　　mnist_folder = './data/mnist/'

　　mnist_image_width = 28

　　mnist_image_height = 28

　　mnist_image_depth = 1

　　mnist_num_labels = 10

　　mndata = MNIST(mnist_folder)

　　mnist_train_dataset_, mnist_train_labels_ = mndata.load_training()

　　mnist_test_dataset_, mnist_test_labels_ = mndata.load_testing()

　　mnist_train_dataset, mnist_train_labels = reformat_data(mnist_train_dataset_, mnist_train_labels_, mnist_image_size, mnist_image_size, mnist_image_depth)

　　mnist_test_dataset, mnist_test_labels = reformat_data(mnist_test_dataset_, mnist_test_labels_, mnist_image_size, mnist_image_size, mnist_image_depth)

　　print("There are {} images, each of size {}".format(len(mnist_train_dataset), len(mnist_train_dataset[0])))

　　print("Meaning each image has the size of 28281 = {}".format(mnist_image_sizemnist_image_size1))

　　print("The training set contains the following {} labels: {}".format(len(np.unique(mnist_train_labels_)), np.unique(mnist_train_labels_)))

　　print('Training set shape', mnist_train_dataset.shape, mnist_train_labels.shape)

　　print('Test set shape', mnist_test_dataset.shape, mnist_test_labels.shape)

　　train_dataset_mnist, train_labels_mnist = mnist_train_dataset, mnist_train_labels

　　test_dataset_mnist, test_labels_mnist = mnist_test_dataset, mnist_test_labels

　　######################################################################################

　　cifar10_folder = './data/cifar10/'

　　train_datasets = ['data_batch_1', 'data_batch_2', 'data_batch_3', 'data_batch_4', 'data_batch_5', ]

　　test_dataset = ['test_batch']

　　c10_image_height = 32

　　c10_image_width = 32

　　c10_image_depth = 3

　　c10_num_labels = 10

　　with open(cifar10_folder + test_dataset[0], 'rb') as f0:

　　c10_test_dict = pickle.load(f0, encoding='bytes')

　　c10_test_dataset, c10_test_labels = c10_test_dict[b'data'], c10_test_dict[b'labels']

　　test_dataset_cifar10, test_labels_cifar10 = reformat_data(c10_test_dataset, c10_test_labels, c10_image_size, c10_image_size, c10_image_depth)

　　c10_train_dataset, c10_train_labels = [], []

　　for train_dataset in train_datasets:

　　with open(cifar10_folder + train_dataset, 'rb') as f0:

　　c10_train_dict = pickle.load(f0, encoding='bytes')

　　c10_train_dataset_, c10_train_labels_ = c10_train_dict[b'data'], c10_train_dict[b'labels']

　　c10_train_dataset.append(c10_train_dataset_)

　　c10_train_labels += c10_train_labels_

　　c10_train_dataset = np.concatenate(c10_train_dataset, axis=0)

　　train_dataset_cifar10, train_labels_cifar10 = reformat_data(c10_train_dataset, c10_train_labels, c10_image_size, c10_image_size, c10_image_depth)

　　del c10_train_dataset

　　del c10_train_labels

　　print("The training set contains the following labels: {}".format(np.unique(c10_train_dict[b'labels'])))

　　print('Training set shape', train_dataset_cifar10.shape, train_labels_cifar10.shape)

　　print('Test set shape', test_dataset_cifar10.shape, test_labels_cifar10.shape)

　　你可以從Yann LeCun的網(wǎng)站下載MNIST數(shù)據(jù)集。下載并解壓縮之后，可以使用python-mnist 工具來加載數(shù)據(jù)。 CIFAR-10數(shù)據(jù)集可以從這里下載。