Tensorflow实现手写体分类（含dropout）

一、手写体分类

1. 数据集

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

os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2'
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0"
config = tf.ConfigProto(allow_soft_placement = True)
gpu_options = tf.GPUOptions(per_process_gpu_memory_fraction = 0.33)
config.gpu_options.allow_growth = True

max_steps = 20  # 最大迭代次数
learning_rate = 0.001   # 学习率
dropout = 0.9   # dropout时随机保留神经元的比例
data_dir = '.\MNIST_DATA'   # 样本数据存储的路径
log_dir = 'E:\MNIST_LOG'    # 输出日志保存的路径

# 获取数据集，并采用采用one_hot热编码
mnist = input_data.read_data_sets(data_dir,one_hot = True)
# mnist=input_data.read_data_sets('MNIST_data',one_hot=True)

'''下载数据是直接调用了tensorflow提供的函数read_data_sets,输入两个参数，
第一个是下载到数据存储的路径，第二个one_hot表示是否要将类别标签进行独热编码。
它首先回去找制定目录下有没有这个数据文件，没有的话才去下载，有的话就直接读取。
所以第一次执行这个命令，速度会比较慢。'''

# sess = tf.InteractiveSession(config = config)

下面的图是通过调用 tf.summary.image('input', image_shaped_input, 10)得到的，具体见2.初始化参数

2. 初始化参数

with tf.name_scope('input'):
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784], name='x-input')
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10], name='y-input')

# 保存图像信息
with tf.name_scope('input_reshape'):
    image_shaped_input = tf.reshape(x, [-1, 28, 28, 1])
    tf.summary.image('input', image_shaped_input, 10)

# 初始化权重参数
def weight_variable(shape):
    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev = 0.1)
    return tf.Variable(initial)

# 初始化偏执参数
def bias_variable(shape):
    initial = tf.constant(0.1, shape = shape)
    return tf.Variable(initial)

# 绘制参数变化
def variable_summaries(var):
    with tf.name_scope('summaries'):
        # 计算参数的均值，并使用tf.summary.scaler记录
        mean = tf.reduce_mean(var)
        tf.summary.scalar('mean', mean)

        # 计算参数的标准差
        with tf.name_scope('stddev'):
            stddev = tf.sqrt(tf.reduce_mean(tf.square(var - mean)))
        # 使用tf.summary.scaler记录下标准差，最大值，最小值
        tf.summary.scalar('stddev', stddev)
        tf.summary.scalar('max', tf.reduce_max(var))
        tf.summary.scalar('min', tf.reduce_min(var))
        # 用直方图记录参数的分布
        tf.summary.histogram('histogram', var)

　　

第一层的weight和biases的变化情况

第二层的weight和biases的变化情况

 3. 构建神经网络

下面是单层神经网络模型

# 构建神经网络
def nn_layer(input_tensor, input_dim, output_dim, layer_name, act=tf.nn.relu):
    # 设置命名空间
    with tf.name_scope(layer_name):
        # 调用之前的方法初始化权重w，并且调用参数信息的记录方法，记录w的信息
        with tf.name_scope('weights'):
            weights = weight_variable([input_dim, output_dim])
            variable_summaries(weights)
        # 调用之前的方法初始化权重b，并且调用参数信息的记录方法，记录b的信息
        with tf.name_scope('biases'):
            biases = bias_variable([output_dim])
            variable_summaries(biases)
        # 执行wx+b的线性计算，并且用直方图记录下来
        with tf.name_scope('linear_compute'):
            preactivate = tf.matmul(input_tensor, weights) + biases
            tf.summary.histogram('linear', preactivate)
        # 将线性输出经过激励函数，并将输出也用直方图记录下来
        activations = act(preactivate, name='activation')
        tf.summary.histogram('activations', activations)
    # 返回激励层的最终输出
    return activations

下面要建双层神经网络，第一层加dropout

hidden1 = nn_layer(x, 784, 500, 'layer1')

# 创建dropout层
with tf.name_scope('dropout'):
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
tf.summary.scalar('dropout_keep_probability', keep_prob)
dropped = tf.nn.dropout(hidden1, keep_prob)

y = nn_layer(dropped, 500, 10, 'layer2', act=tf.identity)　　

模型图如下：

dropout变化如下：

第一层和第二层的weights、bias、未激活前，激活后的值分布如下：

　　tf.summary.histogram接受任意大小和形状的张量，并将该张量压缩成一个由许多分箱组成的直方图数据结构，这些分箱有各种宽度和计数。例如，假设我们要将数字 [0.5, 1.1, 1.3, 2.2, 2.9, 2.99] 整理到不同的分箱中，我们可以创建三个分箱： * 一个分箱包含 0 到 1 之间的所有数字（会包含一个元素：0.5）， * 一个分箱包含 1 到 2 之间的所有数字（会包含两个元素：1.1 和 1.3）， * 一个分箱包含 2 到 3 之间的所有数字（会包含三个元素：2.2、2.9 和 2.99）。TensorFlow 使用类似的方法创建分箱，但与我们的示例不同，它不创建整数分箱。对于大型稀疏数据集，可能会导致数千个分箱。相反，这些分箱呈指数分布，许多分箱接近 0，有较少的分箱的数值较大。 然而，将指数分布的分箱可视化是非常艰难的。如果将高度用于为计数编码，那么即使元素数量相同，较宽的分箱所占的空间也越大。反过来推理，如果用面积为计数编码，则使高度无法比较。因此，直方图会将数据重新采样并分配到统一的分箱。很不幸，在某些情况下，这可能会造成假象。

　　直方图可视化工具中的每个切片显示单个直方图。切片是按步骤整理的；较早的切片（如，步骤 0）位于较“靠后”的位置，颜色也较深，而较晚的切片则靠近前景，颜色也较浅。右侧的 y 轴显示步骤编号。

举例：下图表示时间步骤76，对应的直方图的分箱位于0.0695附近，分箱中有712个元素

切换historm到覆盖模式

信息中心左侧有一个控件，可以将直方图模式从“偏移”切换到“覆盖”：在“偏移”模式下，可视化旋转 45 度，以便各个直方图切片不再按时间展开，而是全部绘制在相同的 y 轴上。

现在，每个切片都是图表上的一条单独线条，y 轴显示的是每个分箱内的项目数。颜色较深的线条表示较早的步，而颜色较浅的线条表示较晚的步。同样，可以将鼠标悬停在图表上以查看其他一些信息。

4. 损失函数+优化器

# 创建损失函数
with tf.name_scope('loss'):
    # 计算交叉熵损失（每个样本都会有一个损失）
    diff = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2(labels=y_, logits=y)
    with tf.name_scope('total'):
        # 计算所有样本交叉熵损失的均值
        cross_entropy = tf.reduce_mean(diff)
    tf.summary.scalar('loss', cross_entropy)

# 使用AdamOptimizer优化器训练模型，最小化交叉熵损失
with tf.name_scope('train'):
    train_step = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(cross_entropy)

# 计算准确率
with tf.name_scope('accuracy'):
    with tf.name_scope('correct_prediction'):
        # 分别将预测和真实的标签中取出最大值的索引，弱相同则返回1(true),不同则返回0(false)
        correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    with tf.name_scope('accuracy'):
        # 求均值即为准确率
        accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

tf.summary.scalar('accuracy', accuracy)

5. 训练

sess = tf.Session()
#summaries合并
merged = tf.summary.merge_all()
# 写到指定的磁盘路径中
train_writer = tf.summary.FileWriter(log_dir + '/train', sess.graph)
test_writer = tf.summary.FileWriter(log_dir + '/test',sess.graph)

#运行初始化所有变量
# global_variables_initializer().run()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

def feed_dict(train):
    """Make a TensorFlow feed_dict: maps data onto Tensor placeholders."""
    if train:
        xs, ys = mnist.train.next_batch(10)
        k = dropout
    else:
        xs, ys = mnist.test.images[:100], mnist.test.labels[:100]
        k = 1.0
    return {x: xs, y_: ys, keep_prob: k}

for i in range(100):
    if i % 10 == 0:  #记录测试集的summary与accuracy
        summary, acc = sess.run([merged, accuracy], feed_dict=feed_dict(False))
        test_writer.add_summary(summary, i)
        print('Accuracy at step %s: %s' % (i, acc))
    else:  # 记录训练集的summary
        summary, _ = sess.run([merged, train_step], feed_dict=feed_dict(True))
        train_writer.add_summary(summary, i)

train_writer.close()
test_writer.close()

　　

准确率：

损失函数：

　

 参考文献：

【1】莫烦Python

【2】TensorBoard 直方图信息中心