TensorFlow学习笔记MNIST手写数字识别

Posted 2022-12-02 準提童子

MNIST是机器学习中的Hello world，前期准备要了解Softmax (multinomial logistic ) regression

MNIST的是一个简单的计算机视觉数据集，它包含一系列手写数字图片，我们将训练一个模型识别图片中的数字

我们本次目的不是训练一个精准模型，以达到稳定的高性能，而是学会如何使用Tensorflow解决简单的问题

本次使用一个简单的模型Softmax Regression，代码是简单的，所有有趣的事情都发生在几行代码里，明白背后中TensorFlow是如何工作的，以及机器学习的核心概念

本文完成以下任务：

1.了解MNIST数据以及Softmax Regression

2.构建一个模型，根据图片的像素识别数字

3.基于上千个样例，使用TensorFlow训练模型识别数字

4.使用测试数据检验正确性

MINIST 数据集

MNIST的数据在机器学习大牛Yann leCun的个人网站上有http://yann.lecun.com/exdb/mnist/

可以使用代码下载数据集：

from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)

数据集被分为三个部分：55000个

数据点data points

作为训练mnist.train，10000作为测试mnist.test，5000作为验证mnist.validation

每个MNIST数据点有两个部分：手写的数字图片和其相应的标签，将图片作为x, 标签作为y

每个图片为28*28像素，我们可以将其抽象为数字：

扁平化数据为一个28*28=784大小的向量，如何扁平化是无关紧要的，只要能保证所有图片的扁平化方式一致

按照这种方式，图片被抽象为784维度的向量空间

扁平化数据的过程，丢失图片的2D属性，这是不是不太好？答案是肯定的，后边我们会涉及好的方法，但是在此我们使用简单的方式

处理后的结果是，mnist.train.imgages是一个张量tensor with shape [55000,784], 对于图片中的特定像素，tensor中每个条目中的值为0或1

每个图片有一个相应的标签，为0-9，每个标签抽象为“one-hot vectors” （指只有一个维度为1其他维度都为0的向量），

这样mnist.train.labels就是一个tensor with shape[55000,10]

Softmax Regression

主要讲解模型Softmax 回归

定义模型

在python数值计算中，经常会使用到一些别的库,像numpy，在python外进行昂贵的操作，如矩阵计算。但是Python内外的数据交互会使得高的开销，为避免这些，Tensorflow使用先描述计算图，后再一起计算的方式。

声明placeholder参数化的从外部输入数据，None代表维度可以是任意值

x=tf.placeholder(tf.float32,[None,784])

定义

权重weight

和

偏差biase

W=tf.Variable(tf.zeros([784,10]))
b=tf.Variable(tf.zeros([10]))

将W和b初始化为全0张量，这是无关紧要的，因为机器学习过程中会自动修改他们

W定义为一个tensor with [784,10]，是因为我们要将784维的向量转换为10维的。

实现模型：

y=tf.nn.softmax(tf.matmul(x,W)+b)

使用

tf.matmul(x,W)

实现x和W的相乘。仅此一行代码就定义了模型！

训练

为了训练模型，我们需要明确什么样的情况意味着模型好，

交叉熵cross-entropy

决定模型损失（Softmax模型通过最小化交叉熵来训练）

存放真实值

y_=tf.placeholder(tf.float32,[None,10])

交叉熵计算：

cross_entropy=tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y_*tf.log(y), reduction_indices=[1]))

tf.log计算y中元素的对数，tf.reduce_sum计算y中第2维元素的相加（y为tensor with shape[None, 10]），因为参数reduction_indices=[1]
最后tf.reduce_mean计算平均值，在源代码中我们不使用该方程，因为它数字上不是稳定的

对于非规范化的逻辑，使用tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits

tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=y))

使用选择的优化算法修改变量，减少损失

train_step=tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5).minimize(cross_entropy)

我们使用

学习率learning rate

为0.5的

梯度下降算法gradient descent algorithm

Tensorflow提供了很多别的优化算法，使用其中一个只需调整一行代码，非常简单

现在可以运行模型，通过InteractiveSession

sess=tf.InteractiveSession()

初始化变量

tf.global_variables_initializer().run()

训练1000次

for _ in range(1000):
    batch_xs,batch_ys=mnist.train.next_batch(100)
    sess.run(train_step,feed_dict=x:batch_xs,y_:batch_ys)

循环中的每一步，随机取100个数据点为一个批次，作为训练。

使用小批次的随机数据称为随机训练stochastic training,理想化的来讲，应该使用所有的为每一步训练，但是这样是昂贵的，

所以，每次使用一个不同子集，这样运算成本低廉，而且同样有效

评估模型

tf.argmax

是一个非常有用的方法，它给出张量tensor中沿着某个轴最高条目的索引（未明白），例如tf.argmax(y,1)是模型预测的输出label，tf.argmax(y_,1)是真实的label，

使用tf.equal检验预测与真实是否相匹配

correct_prediction=tf.equal(tf.argmax(y,1),tf.argmax(y_,1))

tf.equal返回一列boolean, 我们转换为0,1，计算平均值：

accuracy=tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))

最后运行计算图获取精确值：

print(sess.run(accuracy,feed_dict=x:mnist.test.images,y_:mnist.test.labels))

准确度为92%

这个结果是否足够好呢？不是的，事实上是非常low的，这是因为我们使用了一个简单的模型，稍微改变可以达到97%，最好的模型可以达到99.7%

重要的是我们在这个模型中学到的东西。

完整代码：

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function

import argparse
import sys

from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

import tensorflow as tf

FLAGS = None


def main(_):
  # Import data
  mnist = input_data.read_data_sets(FLAGS.data_dir, one_hot=True)

  # Create the model
  x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
  W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))
  b = tf.Variable(tf.zeros([10]))
  y = tf.matmul(x, W) + b

  # Define loss and optimizer
  y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])

  # The raw formulation of cross-entropy,
  #
  #   tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y_ * tf.log(tf.nn.softmax(y)),
  #                                 reduction_indices=[1]))
  #
  # can be numerically unstable.
  #
  # So here we use tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits on the raw
  # outputs of 'y', and then average across the batch.
  cross_entropy = tf.reduce_mean(
      tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=y))
  train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5).minimize(cross_entropy)

  sess = tf.InteractiveSession()
  tf.global_variables_initializer().run()
  # Train
  for _ in range(1000):
    batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)
    sess.run(train_step, feed_dict=x: batch_xs, y_: batch_ys)

  # Test trained model
  correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
  accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
  print(sess.run(accuracy, feed_dict=x: mnist.test.images,
                                      y_: mnist.test.labels))

if __name__ == '__main__':
  # argparse模块，python用于解析命令行参数
  parser = argparse.ArgumentParser()
  # 指定数据集加载目录为MNIST_data
  parser.add_argument('--data_dir', type=str, default='MNIST_data',
                      help='Directory for storing input data')
  FLAGS, unparsed = parser.parse_known_args()
  tf.app.run(main=main, argv=[sys.argv[0]] + unparsed)