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

摘要： 本文主要和大家分享如何使用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用程序了。

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用程序了。

為此，你需要安裝Tensorflow（請參閱安裝說明），你還應該對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[]。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。

2.3 創(chuàng)建一個簡單的一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最簡單的形式是一層線性全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FCNN， Fully Connected Neural Network）。 在數(shù)學上它由一個矩陣乘法組成。

最好是在Tensorflow中從這樣一個簡單的NN開始，然后再去研究更復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 當我們研究那些更復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時候，只是圖的模型（步驟2）和權(quán)重（步驟3）發(fā)生了改變，其他步驟仍然保持不變。

我們可以按照如下代碼制作一層FCNN：
image_width = mnist_image_width
image_height = mnist_image_height
image_depth = mnist_image_depth
num_labels = mnist_num_labels

#the dataset
train_dataset = mnist_train_dataset
train_labels = mnist_train_labels
test_dataset = mnist_test_dataset
test_labels = mnist_test_labels

#number of iterations and learning rate
num_steps = 10001
display_step = 1000
learning_rate = 0.5

graph = tf.Graph()
with graph.as_default():
#1) First we put the input data in a Tensorflow friendly form.
tf_train_dataset = tf.placeholder(tf.float32, shape=(batch_size, image_width, image_height, image_depth))
tf_train_labels = tf.placeholder(tf.float32, shape = (batch_size, num_labels))
tf_test_dataset = tf.constant(test_dataset, tf.float32)

#2) Then, the weight matrices and bias vectors are initialized
#as a default, tf.truncated_normal() is used for the weight matrix and tf.zeros() is used for the bias vector.
weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([image_width image_height image_depth, num_labels]), tf.float32)
bias = tf.Variable(tf.zeros([num_labels]), tf.float32)

#3) define the model:
#A one layered fccd simply consists of a matrix multiplication
def model(data, weights, bias):
return tf.matmul(flatten_tf_array(data), weights) + bias

logits = model(tf_train_dataset, weights, bias)

#4) calculate the loss, which will be used in the optimization of the weights
loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logits, labels=tf_train_labels))

#5) Choose an optimizer. Many are available.
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss)

#6) The predicted values for the images in the train dataset and test dataset are assigned to the variables train_prediction and test_prediction.
#It is only necessary if you want to know the accuracy by comparing it with the actual values.
train_prediction = tf.nn.softmax(logits)
test_prediction = tf.nn.softmax(model(tf_test_dataset, weights, bias))

with tf.Session(graph=graph) as session:
tf.global_variables_initializer().run()
print('Initialized')
for step in range(num_steps):
_, l, predictions = session.run([optimizer, loss, train_prediction])
if (step % display_step == 0):
train_accuracy = accuracy(predictions, train_labels[:, :])
test_accuracy = accuracy(test_prediction.eval(), test_labels)
message = "step {:04d} : loss is {:06.2f}, accuracy on training set {:02.2f} %, accuracy on test set {:02.2f} %".format(step, l, train_accuracy, test_accuracy)
print(message)

>>> Initialized
>>> step 0000 : loss is 2349.55, accuracy on training set 10.43 %, accuracy on test set 34.12 %
>>> step 0100 : loss is 3612.48, accuracy on training set 89.26 %, accuracy on test set 90.15 %
>>> step 0200 : loss is 2634.40, accuracy on training set 91.10 %, accuracy on test set 91.26 %
>>> step 0300 : loss is 2109.42, accuracy on training set 91.62 %, accuracy on test set 91.56 %
>>> step 0400 : loss is 2093.56, accuracy on training set 91.85 %, accuracy on test set 91.67 %
>>> step 0500 : loss is 2325.58, accuracy on training set 91.83 %, accuracy on test set 91.67 %
>>> step 0600 : loss is 22140.44, accuracy on training set 68.39 %, accuracy on test set 75.06 %
>>> step 0700 : loss is 5920.29, accuracy on training set 83.73 %, accuracy on test set 87.76 %
>>> step 0800 : loss is 9137.66, accuracy on training set 79.72 %, accuracy on test set 83.33 %
>>> step 0900 : loss is 15949.15, accuracy on training set 69.33 %, accuracy on test set 77.05 %
>>> step 1000 : loss is 1758.80, accuracy on training set 92.45 %, accuracy on test set 91.79 %

在圖中，我們加載數(shù)據(jù)，定義權(quán)重矩陣和模型，從分對數(shù)矢量中計算損失值，并將其傳遞給優(yōu)化器，該優(yōu)化器將更新迭代“num_steps”次數(shù)的權(quán)重。

在上述完全連接的NN中，我們使用了梯度下降優(yōu)化器來優(yōu)化權(quán)重。然而，有很多不同的優(yōu)化器可用于Tensorflow。 最常用的優(yōu)化器有GradientDescentOptimizer、AdamOptimizer和AdaGradOptimizer，所以如果你正在構(gòu)建一個CNN的話，我建議你試試這些。

Sebastian Ruder有一篇不錯的博文介紹了不同優(yōu)化器之間的區(qū)別，通過這篇文章，你可以更詳細地了解它們。

2.4 Tensorflow的幾個方面
Tensorflow包含許多層，這意味著可以通過不同的抽象級別來完成相同的操作。這里有一個簡單的例子，操作
logits = tf.matmul(tf_train_dataset, weights) + biases，

也可以這樣來實現(xiàn)
logits = tf.nn.xw_plus_b(train_dataset, weights, biases)。

這是layers API中最明顯的一層，它是一個具有高度抽象性的層，可以很容易地創(chuàng)建由許多不同層組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如，或函數(shù)用于創(chuàng)建卷積和完全連接的層。通過這些函數(shù)，可以將層數(shù)、過濾器的大小或深度、激活函數(shù)的類型等指定為參數(shù)。然后，權(quán)重矩陣和偏置矩陣會自動創(chuàng)建，一起創(chuàng)建的還有激活函數(shù)和丟棄正則化層(dropout regularization laye)。

例如，通過使用 層API，下面這些代碼：
import Tensorflow as tf

w1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([filter_size, filter_size, image_depth, filter_depth], stddev=0.1))
b1 = tf.Variable(tf.zeros([filter_depth]))

layer1_conv = tf.nn.conv2d(data, w1, [1, 1, 1, 1], padding='SAME')
layer1_relu = tf.nn.relu(layer1_conv + b1)
layer1_pool = tf.nn.max_pool(layer1_pool, [1, 2, 2, 1], [1, 2, 2, 1], padding='SAME')

可以替換為
from tflearn.layers.conv import conv_2d, max_pool_2d
layer1_conv = conv_2d(data, filter_depth, filter_size, activation='relu')
layer1_pool = max_pool_2d(layer1_conv_relu, 2, strides=2)

可以看到，我們不需要定義權(quán)重、偏差或激活函數(shù)。尤其是在你建立一個具有很多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時候，這樣可以保持代碼的清晰和整潔。

然而，如果你剛剛接觸Tensorflow的話，學習如何構(gòu)建不同種類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不合適，因為tflearn做了所有的工作。

因此，我們不會在本文中使用層API，但是一旦你完全理解了如何在Tensorflow中構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我還是建議你使用它。