Tensorflow实战：MNIST数字识别问题

TensorFlow实现Softmax Regression 识别手写数字

MNIST(Mixed National Institute of Standards and Technology database)是一个非常有名的机器视觉数据集，由几万张28x28像素的手写数字组成，这些图片只包含灰度值。我们的任务就是对这些图片分成数字0~9类。

下载和加载数据：

    from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
    mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data/',one_hot=True)

    #download...
    Extracting MNIST_data/train-images-idx3-ubyte.gz
    Extracting MNIST_data/train-labels-idx1-ubyte.gz
    Extracting MNIST_data/t10k-images-idx3-ubyte.gz
    Extracting MNIST_data/t10k-labels-idx1-ubyte.gz

查看数据集：

在MNIST数据集中，mnist.train.images是一个形状为[60000,784]的张量，第一个维度数字用来索引图片，第二个维度数字用来索引每张图片中的像素点。在此张量里的每一个元素，都表示某张图片里的某个像素的强度值，值介于0和1之间。

 

 

训练集

print(mnist.train.images.shape,mnist.train.labels.shape)
        ((55000, 784), (55000, 10))

其中训练集有55000个样本，是一个55000x784的Tensor.第一个维度是图片的编号，第二个维度是图片中像素点的编号。

训练集的Label是一个55000x10的Tensor，对10个种类的one-hot编码，即对应n位为1代表数值为n.

类似的测试集和校验集一样

测试集和校验集

print(mnist.test.images.shape,mnist.test.labels.shape)
    ((10000, 784), (10000, 10))
print(mnist.validation.images.shape,mnist.validation.labels.shape)
    ((5000, 784), (5000, 10))

mnist数据集下载https://pan.baidu.com/s/1y16reUPV8ySsACIPYO1FoQ

设计算法

Softmax Regression简介

处理多分类任务时，通常使用Softmax Regression模型。
在神经网络中，如果问题是分类模型(即使是CNN或者RNN)，一般最后一层是Softmax Regression。
它的工作原理是将可以判定为某类的特征相加，然后将这些特征转化为判定是这一类的概率。

 

实现Softmax Regression

创建一个神经网络模型步骤如下:

• 定义网络结构(即网络前向算法)
• 定义loss function，确定Optimizer
• 迭代训练
• 在测试集/验证集上测评

1. 定义网络结构

import tensorflow as tf

sess = tf.InteractiveSession()  # 注册默认Session

# 输入数据占位符,None代表输入条数不限制(取决训练的batch_size)
x = tf.placeholder("float", [None, 784])

W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))  # 权重张量，weights无隐藏层
b = tf.Variable(tf.zeros([10]))  # 偏置biases

# 实现softmax Regression  y=softmax(Wx+b)
y = tf.nn.softmax(tf.matmul(x, W) + b)

2. 定义loss function，确定Optimizer

# y_为标签值
y_ = tf.placeholder("float", [None, 10])

# 交叉熵损失函数定义
cross_entropy = -tf.reduce_mean(tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y)))

# 学习率定义
learn_rate = 0.001

# 优化器选择
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learn_rate).minimize(cross_entropy)

 3. 迭代训练

with tf.Session() as sess:
    # 初始化所有变量
    init_op = tf.global_variables_initializer()
    sess.run(init_op)

    # 迭代次数
    STEPS = 1000
    for i in range(STEPS):
        # 使用mnist.train.next_batch随机选取batch
        batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)
        sess.run(train_step, feed_dict={x: batch_xs, y_: batch_ys})

4. 在测试集/验证集上测评

#tf.argmax函数可以在一个张量里沿着某条轴的最高条目的索引值
    #tf.argmax(y,1) 是模型认为每个输入最有可能对应的那些标签
    #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
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y,1), tf.argmax(y_,1))
#这行代码会给我们一组布尔值。


#为了确定正确预测项的比例,我们可以把布尔值转换成浮点数,然后取平均值。例如, [True, False, True, True] 会变成 [1,0,1,1] ,取平均值后得到 0.75
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

#我们计算所学习到的模型在测试数据集上面的正确率
print (sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels}))

下面给出一个完整的TensorFlow训练神经网络

这里会用到**函数去线性化，使用更深层网络，使用带指数衰减的学习率设置，同时使用正则化避免过拟合，以及使用滑动平均模型来使最终模型更加健壮。

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


"""
1.设置输入和输出节点的个数,配置神经网络的参数。
"""
INPUT_NODE = 784  # 输入节点
OUTPUT_NODE = 10  # 输出节点
LAYER1_NODE = 500  # 隐藏层数

BATCH_SIZE = 100  # 每次batch打包的样本个数

# 模型相关的参数
LEARNING_RATE_BASE = 0.8
LEARNING_RATE_DECAY = 0.99
REGULARAZTION_RATE = 0.0001
TRAINING_STEPS = 30000
MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99

# 2. 定义辅助函数来计算前向传播结果，使用ReLU做为**函数
def inference(input_tensor, avg_class, weights1, biases1, weights2, biases2):
    # 不使用滑动平均类
    if avg_class == None:
        layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, weights1) + biases1)
        return tf.matmul(layer1, weights2) + biases2

    else:
        # 使用滑动平均类
        layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, avg_class.average(weights1)) + avg_class.average(biases1))
        return tf.matmul(layer1, avg_class.average(weights2)) + avg_class.average(biases2)

# 3. 定义训练过程
def train(mnist):
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, INPUT_NODE], name='x-input')
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, OUTPUT_NODE], name='y-input')
    # 生成隐藏层的参数。
    weights1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([INPUT_NODE, LAYER1_NODE], stddev=0.1))
    biases1 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[LAYER1_NODE]))
    # 生成输出层的参数。
    weights2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([LAYER1_NODE, OUTPUT_NODE], stddev=0.1))
    biases2 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[OUTPUT_NODE]))

    # 计算不含滑动平均类的前向传播结果
    y = inference(x, None, weights1, biases1, weights2, biases2)

    # 定义训练轮数及相关的滑动平均类
    global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
    variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY, global_step)
    variables_averages_op = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
    average_y = inference(x, variable_averages, weights1, biases1, weights2, biases2)

    # 计算交叉熵及其平均值
    cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y, labels=tf.argmax(y_, 1))
    cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)

    # 损失函数的计算
    regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(REGULARAZTION_RATE)
    regularaztion = regularizer(weights1) + regularizer(weights2)
    loss = cross_entropy_mean + regularaztion

    # 设置指数衰减的学习率。
    learning_rate = tf.train.exponential_decay(
        LEARNING_RATE_BASE,
        global_step,
        mnist.train.num_examples / BATCH_SIZE,
        LEARNING_RATE_DECAY,
        staircase=True)

    # 优化损失函数
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss, global_step=global_step)

    # 反向传播更新参数和更新每一个参数的滑动平均值
    with tf.control_dependencies([train_step, variables_averages_op]):
        train_op = tf.no_op(name='train')

    # 计算正确率
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(average_y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

    # 初始化会话，并开始训练过程。
    with tf.Session() as sess:
        tf.global_variables_initializer().run()
        validate_feed = {x: mnist.validation.images, y_: mnist.validation.labels}
        test_feed = {x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels}

        # 循环的训练神经网络。
        for i in range(TRAINING_STEPS):
            if i % 1000 == 0:
                validate_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=validate_feed)
                print("After %d training step(s), validation accuracy using average model is %g " % (i, validate_acc))

            xs, ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)
            sess.run(train_op, feed_dict={x: xs, y_: ys})

        test_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=test_feed)
        print(("After %d training step(s), test accuracy using average model is %g" % (TRAINING_STEPS, test_acc)))


# 4. 主程序入口，这里设定模型训练次数为30000次
def main(argv=None):
    mnist = input_data.read_data_sets("D:/PythonWenjian\TensorFlow_jc/tensorFlow_rm_1/MNIST_data",one_hot=True)  # 载入数据集
    train(mnist)

if __name__=='__main__':
    main()

输出