深度学习04--卷积神经网络
卷积神经网络
与神经网络的对比
- 传统意义上的多层神经网络是只有输入层、隐藏层、输出层。其中隐藏层的层数根据需要而定，没有明确的理论推导来说明到底多少层合适
- 卷积神经网络CNN，在原来多层神经网络的基础上，加入了更加有效的特征学习部分，具体操作就是在原来的全连接层前面加入了卷积层与池化层。卷积神经网络出现，使得神经网络层数得以加深，“深度”学习由此而来。
网络原理
三个结构
神经网络(neural networks)的基本组成包括输入层、隐藏层、输出层。而卷积神经网络的特点在于隐藏层分为卷积层和池化层(pooling layer，又叫下采样层)以及激活层。每一层的作用
- 卷积层:通过在原始图像上平移来提取特征
- 激活层:增加非线性分割能力
- 池化层:减少学习的参数，降低网络的复杂度(最大池化和平均池化)
为了能够达到分类效果，还会有一个全连接层(Full Connection)也就是最后的输出层，进行损失计算并输出分类结果。
卷积层
卷积神经网络中每层卷积层由若干卷积单元(卷积核)组成，每个卷积单元的参数都是通过反向传播算法最佳化得到的。
卷积运算的目的是特征提取，第一层卷积层可能只能提取一些低级的特征如边缘、线条和角等层级，更多层的网络能从低级特征中迭代提取更复杂的特征。
卷积核(Filter)的四大要素
- 卷积核个数
那么如果在某一层结构当中，不止是一个人观察，多个人(卷积核)一起去观察。那就得到多张观察结果。不同的卷积核带的权重和偏置都不一样，即随机初始化的参数
- 卷积核大小（1*1，3*3，5*5）
- 卷积核步长
- 卷积核零填充大小
输出大小计算公式
卷积网络API
激活函数
Relu
为什么采用新的激活函数
激活函数API
深化层
Pooling层主要的作用是特征提取，通过去掉Feature Map中不重要的样本，进一步减少参数数量。Pooling的方法很多，通常采用最大池化
- max_polling:取池化窗口的最大值
- avg_polling:取池化窗口的平均值
深化层计算
池化层也有窗口的大小以及移动步长，那么之后的输出大小怎么计算?计算公式同卷积计算公式一样，通常池化层采用2x2大小、步长为2窗口
深化层API
全连接层
前面的卷积和池化相当于做特征工程，最后的全连接层在整个卷积神经网络中起到“分类器”的作用。
总结
案例：CNN-Mnist手写数字识别
网络设计
代码
import tensorflow as tf from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data tf.compat.v1.disable_eager_execution() # 1、利用数据，在训练的时候实时提供数据 # mnist手写数字数据在运行时候实时提供给给占位符 tf.compat.v1.app.flags.DEFINE_integer("is_train", 1, "指定是否是训练模型，还是拿数据去预测") FLAGS = tf.compat.v1.app.flags.FLAGS def create_weights(shape): return tf.Variable(initial_value=tf.compat.v1.random_normal(shape=shape, stddev=0.01)) def create_model(x): """ 构建卷积神经网络 :param x: :return: """ # 1）第一个卷积大层 with tf.compat.v1.variable_scope("conv1"): # 卷积层 # 将x[None, 784]形状进行修改 input_x = tf.reshape(x, shape=[-1, 28, 28, 1]) # 定义filter和偏置 conv1_weights = create_weights(shape=[5, 5, 1, 32]) conv1_bias = create_weights(shape=[32]) conv1_x = tf.compat.v1.nn.conv2d(input=input_x, filter=conv1_weights, strides=[1, 1, 1, 1], padding="SAME") + conv1_bias # 激活层 relu1_x = tf.nn.relu(conv1_x) # 池化层 pool1_x = tf.compat.v1.nn.max_pool(value=relu1_x, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding="SAME") # 2）第二个卷积大层 with tf.compat.v1.variable_scope("conv2"): # 卷积层 # 定义filter和偏置 conv2_weights = create_weights(shape=[5, 5, 32, 64]) conv2_bias = create_weights(shape=[64]) conv2_x = tf.compat.v1.nn.conv2d(input=pool1_x, filter=conv2_weights, strides=[1, 1, 1, 1], padding="SAME") + conv2_bias # 激活层 relu2_x = tf.compat.v1.nn.relu(conv2_x) # 池化层 pool2_x = tf.compat.v1.nn.max_pool(value=relu2_x, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding="SAME") # 3）全连接层 with tf.compat.v1.variable_scope("full_connection"): # [None, 7, 7, 64]->[None, 7 * 7 * 64] # [None, 7 * 7 * 64] * [7 * 7 * 64, 10] = [None, 10] x_fc = tf.reshape(pool2_x, shape=[-1, 7 * 7 * 64]) weights_fc = create_weights(shape=[7 * 7 * 64, 10]) bias_fc = create_weights(shape=[10]) y_predict = tf.matmul(x_fc, weights_fc) + bias_fc return y_predict def full_connected_mnist(): """ 单层全连接神经网络识别手写数字图片 特征值：[None, 784] 目标值：one_hot编码 [None, 10] :return: """ mnist = input_data.read_data_sets("../mnist_data/", one_hot=True) # 1、准备数据 # x [None, 784] y_true [None. 10] with tf.compat.v1.variable_scope("mnist_data"): x = tf.compat.v1.placeholder(tf.float32, [None, 784]) y_true = tf.compat.v1.placeholder(tf.int32, [None, 10]) y_predict = create_model(x) # 3、softmax回归以及交叉熵损失计算 with tf.compat.v1.variable_scope("softmax_crossentropy"): # labels:真实值 [None, 10] one_hot # logits:全脸层的输出[None,10] # 返回每个样本的损失组成的列表 loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_true, logits=y_predict)) # 4、梯度下降损失优化 with tf.compat.v1.variable_scope("optimizer"): # 学习率 train_op = tf.compat.v1.train.AdamOptimizer(0.001).minimize(loss) # 5、得出每次训练的准确率（通过真实值和预测值进行位置比较，每个样本都比较） with tf.compat.v1.variable_scope("accuracy"): equal_list = tf.equal(tf.argmax(y_true, 1), tf.argmax(y_predict, 1)) accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(equal_list, tf.float32)) # （2）收集要显示的变量 # 先收集损失和准确率 #tf.summary.scalar("losses", loss) #tf.summary.scalar("acc", accuracy) # 初始化变量op init_op = tf.compat.v1.global_variables_initializer() # （3）合并所有变量op #merged = tf.compat.v1.summary.merge_all() # 创建模型保存和加载 #saver = tf.compat.v1.train.Saver() # 开启会话去训练 with tf.compat.v1.Session() as sess: # 初始化变量 sess.run(init_op) # （1）创建一个events文件实例 #file_writer = tf.compat.v1.summary.FileWriter("../tmp/summary/", graph=sess.graph) # 加载模型 # if os.path.exists("./tmp/modelckpt/checkpoint"): # saver.restore(sess, "./tmp/modelckpt/fc_nn_model") if FLAGS.is_train == 1: # 循环步数去训练 for i in range(500): # 获取数据，实时提供 # 每步提供50个样本训练 mnist_x, mnist_y = mnist.train.next_batch(50) # 运行训练op sess.run(train_op, feed_dict={x: mnist_x, y_true: mnist_y}) print("训练第%d步的准确率为：%f, 损失为：%f " % (i+1, sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist_x, y_true: mnist_y}), sess.run(loss, feed_dict={x: mnist_x, y_true: mnist_y}) ) ) # 运行合变量op，写入事件文件当中 #summary = sess.run(merged, feed_dict={x: mnist_x, y_true: mnist_y}) #file_writer.add_summary(summary, i) # if i % 100 == 0: # saver.save(sess, "./tmp/modelckpt/fc_nn_model") else: # 如果不是训练，我们就去进行预测测试集数据 for i in range(100): # 每次拿一个样本预测 mnist_x, mnist_y = mnist.test.next_batch(1) print("第%d个样本的真实值为：%d, 模型预测结果为：%d" % ( i+1, tf.argmax(sess.run(y_true, feed_dict={x: mnist_x, y_true: mnist_y}), 1).eval(), tf.argmax(sess.run(y_predict, feed_dict={x: mnist_x, y_true: mnist_y}), 1).eval() ) ) return None if __name__ == "__main__": full_connected_mnist()
