TensorFlow深度学习（二）——图像分类

本文是书籍《TensorFlow深度学习》的学习笔记之一

理论部分

手写数字图片集

模型的泛化能力是指模型在新样本上也有良好的表现。为了提高泛化能力，我们应该尽量增加数据集的规模和多样性，使得我们用于学习的训练数据集和真实的手写数字图片的分布逼近，例如每个人手写数字都有不同的习惯，应该尽可能财经不同书写风格的图片。

下面我们来看看图片的表示方法：
一张图片通常有h行，w列，每个点保存了像素值，像素值一般用整型数值来表达杨色强度：

• 彩色图片：使用一维的，长度为3的向量来保存R、G、B值
• 灰度图片：只需要一个数值表示强度，如0表示纯黑，255表示纯白，如下图
  

考虑输入格式，一张灰度图片使用矩阵的方式存储，形状为h行w列，b张图片使用[b,h,w]的张量存储，然后将矩阵打平为向量。
考虑输出格式，使用one-hot编码：如果物体属于第i类的话，将索引为i的位置设置1，其他位置设置0，如图：

由于数字之间存在天然的大小关系，但优点是方便存储，所以一般存储时候使用数字编码，计算时候使用tf.one_hot()转换为比较稀疏的one-hot编码

误差计算

在分类问题中，更多的是采样交叉熵（Cross Entropy）损失函数，较少采用回归问题的MSE。损失函数可以定义为：

模型训练的目标是优化：

这里$o=Wx+b$o=Wx+b

非线性模型

线性模型的表达能力偏弱，用二次多项式就能学到更合适的模型

我们可以使用一个**函数将线性模型转换为非线性模型，如Sigmoid函数、ReLU函数，我们的目标函数变为
$o=ReLU(Wx+b)$o=ReLU(Wx+b)

实验部分

模型搭建

# 利用sequential容器封装3个网络层，前一层的输入作为下一层的输出
model = keras.Sequential([
    # 创建一层网络，设置输出节点数为256，**函数为ReLU
    layer.Dense(256, activition - 'relu'),
    layer.Dense(128, activition - 'relu'),
    layer.Dense(10)
])

完整代码

链接

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import datasets, layers, optimizers, Sequential, metrics

# 设置GPU使用方式
# 获取GPU列表
gpus = tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU')
if gpus:
    try:
        # 设置GPU为增长式占用
        for gpu in gpus:
            tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu, True)
    except RuntimeError as e:
        # 打印异常
        print(e)

(xs, ys), _ = datasets.mnist.load_data()
print('datasets:', xs.shape, ys.shape, xs.min(), xs.max())

batch_size = 32

xs = tf.convert_to_tensor(xs, dtype=tf.float32) / 255.
db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((xs, ys))
db = db.batch(batch_size).repeat(30)

model = Sequential([layers.Dense(256, activation='relu'),
                    layers.Dense(128, activation='relu'),
                    layers.Dense(10)])
model.build(input_shape=(4, 28 * 28))
model.summary()

optimizer = optimizers.SGD(lr=0.01)
acc_meter = metrics.Accuracy()

for step, (x, y) in enumerate(db):

    with tf.GradientTape() as tape:
        # 打平操作，[b, 28, 28] => [b, 784]
        x = tf.reshape(x, (-1, 28 * 28))
        # Step1. 得到模型输出output [b, 784] => [b, 10]
        out = model(x)
        # [b] => [b, 10]
        y_onehot = tf.one_hot(y, depth=10)
        # 计算差的平方和，[b, 10]
        loss = tf.square(out - y_onehot)
        # 计算每个样本的平均误差，[b]
        loss = tf.reduce_sum(loss) / x.shape[0]

    acc_meter.update_state(tf.argmax(out, axis=1), y)

    grads = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
    optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_variables))

    if step % 200 == 0:
        print(step, 'loss:', float(loss), 'acc:', acc_meter.result().numpy())
        acc_meter.reset_states()

实验结果

总结

本实验使用了3层的非线性神经网络进行图像分类，表达能力比单层的线性回归模型更强。通过逐层的梯度下降来更新参数，使用tensorflow非常方便，最后效果也很好，初步感受了深度学习、tensorflow的强大之处。