TensorFlow实战（六）- 使用TensorFlow实现卷积神经网络CNN

一，卷积神经网络简介

卷积神经网络提供了一种方法来特化神经网络，使其能够处理清楚的网络结构拓扑的数据，以及将这样的模型扩展到非常大的规模。这种方法在二维图像拓扑上是最成功的。

卷积神经网络的主要特征有：

稀疏连接：源于视觉的局部感受野。
权值共享
等变表示：平移等变性。
总结：稀疏连接和权值共享降低了参数量，使训练复杂度大大降低，并减轻了过拟合。同时权值共享还赋予了卷积网络对平移的容忍性，而池化层降采样进一步降低了输出餐数量，并赋予模型对轻度形变的容忍性，提高了模型的泛化能力。

卷积神经网络中的一个卷积层一般包括三级：

卷积级：利用卷积核加偏置进行仿射变换，提取feature map。
探测级：非线性激活函数，如Relu。
池化级：降采样，一般用最大池化，保留最显著的特征，并提升模型的畸变容忍能力。

卷积神经网络的参数只与卷积核的大小与数量有关，只要我们提供的卷积核数量足够多，能提取出各种方向的边或者各种形态的点，就可以让卷积层抽象出有效而丰富的高阶特征。

经典卷积网络：

LeNet5
AlexNet
VGG
GoogleInceptionNet
ResNet

二，用TensorFlow实现简单的卷积网络

padding的填充方式有三种（假设输入图像宽为m，卷积核宽为k，步长为1）：

valid：无论怎样都不使用零填充的极端情况，并且卷积核只允许访问那些图像中能够完全包含整个核的位置。输出的宽度会变成m-k+1。
same：只进行足够的零填充来保持输出与输入有相同的大小，这可能会导致边界像素的欠表示。
full：进行足够的零填充，来保证每个像素在每个方向上正好被访问了k次，最终输出图像的宽度为m+k-1，一般不用。
但，零填充的最优数量处于valid和same padding之间的某个位置。

一些基础

tf.nn.conv2d(x,filters,strides,padding)
①x=[图像数量(一般为-1代表样本数量不固定)，长度，宽度，图像通道数]。
②filters=[长度，宽度，输入图像的通道数，卷积核数]
③strides = [批处理步长(一般为1)，长度上的步长，宽度上的步长，卷积核数上的步长(一般为1)]
④padding=’same’或‘valid’,用来定义零填充的方式。
tf.nn.max_pool(x,pool_kernel,strides,padding)
参数形式同conv2d。

tensorflow的实现

# 一般CNN的实现
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

# 0，导入数据
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/",one_hot=True)
print(mnist.train.images.shape,mnist.train.labels.shape)
sess = tf.InteractiveSession()

# 1，定义一些要重复使用的函数
def weighted_variable(shape):
    initial = tf.truncated_normal(shape,stddev=0.1)
    return tf.Variable(initial)
def bias_variable(shape):
    initial = tf.constant(0.1,shape=shape)
    return tf.Variable(initial)
def conv2d(x,filters):
    return tf.nn.conv2d(x,filters,strides=[1,1,1,1],padding="SAME")
def max_pool_2x2(x):
    return tf.nn.max_pool(x,ksize=[1,2,2,1],strides=[1,2,2,1],padding='SAME')

# 2，定义输入
X = tf.placeholder(tf.float32,[None,784])
y = tf.placeholder(tf.float32,[None,10])
X_image = tf.reshape(X,[-1,28,28,1])

# 3，定义第一个卷积层
W_conv1 = weighted_variable([5,5,1,32])
b_conv1 = bias_variable([32])
h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(X_image,W_conv1)+b_conv1)
h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)

# 4，定义第二个卷积层
W_conv2 = weighted_variable([5,5,32,64])
b_conv2 = bias_variable([64])
h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1,W_conv2)+b_conv2)
h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)

# 5，定义全连接层
W_fc1 = weighted_variable([7*7*64,1024])
b_fc1 = bias_variable([1024])
h_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2,[-1,7*7*64])
h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool2_flat,W_fc1)+b_fc1)

# 6，定义dropout层和输出层
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
h_fc1_dropout = tf.nn.dropout(h_fc1,keep_prob)
W_fc2 = weighted_variable([1024,10])
b_fc2 = bias_variable([10])
y_pred = tf.nn.softmax(tf.matmul(h_fc1_dropout,W_fc2)+b_fc2)

# 7，定义损失函数和优化器
cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y*tf.log(y_pred),reduction_indices=[1]))
train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)

# 8,定义评测准确率的操作
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_pred,1),tf.argmax(y,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))

# 9，迭代训练
tf.global_variables_initializer().run()
epoch_num = 1
for epoch in range(epoch_num):
    avg_accuracy = 0.0
    avg_cost = 0.0
    for i in range(20000):
        batch_xs,batch_ys = mnist.train.next_batch(50)
        if i%100==0:
            train_accuracy = accuracy.eval(feed_dict={X:batch_xs,y:batch_ys,keep_prob:1.0})
            print("step %d,train accuracy is %.4f"%(i,train_accuracy))
        train_step.run(feed_dict={X:batch_xs,y:batch_ys,keep_prob:0.5})
print('Train Finished!')
print('Test accuracy is %.4f.' % accuracy.eval({X: mnist.test.images, y: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0}))

# last,Get one and predict
import matplotlib.pyplot as plt
import random
r = random.randint(0, mnist.test.num_examples - 1)
print("Label:", sess.run(tf.argmax(mnist.test.labels[r:r+1], 1)))
print("Prediction:", sess.run(tf.argmax(y_pred, 1),feed_dict={X: mnist.test.images[r:r + 1],keep_prob:1.0}))
plt.imshow(mnist.test.images[r:r + 1].reshape(28, 28), cmap='Greys', interpolation='nearest')
plt.show()

sess.close()

最后得到的准确率约为99.2%。

三，用TensorFlow实现高级的卷积网络

此次分类的数据集使用了CIFAR-10，而不是Mnist。

使用的一些新的技巧：

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对weights进行L2正则化。
对图片进行了翻转、随机剪切等数据增强，制造了更多样本。
在每个卷积-最大池化层后面使用了LRN层(局部响应归一化层)，增强了模型的泛化能力。

LRN层模拟了生物神经系统的侧抑制机制，对局部神经元的活动创建竞争环境，使得其中响应比较大的值变得相对更大，并抑制其他反馈较小的神经元，增强了模型的泛化能力。LRN对ReLU这种没有上限边界的激活函数会比较有用，因为它会从附近多个卷积核的响应中选择比较大的反馈，但不适合Sigmoid这种有固定边界并且能抑制过大值的激活函数。