Tensorflow之MNIST的最佳实践思路总结

Posted 2020-10-16

Tensorflow之MNIST的最佳实践思路总结

  在上两篇文章中已经总结出了深层神经网络常用方法和Tensorflow的最佳实践所需要的知识点，如果对这些基础不熟悉，可以返回去看一下。在《Tensorflow：实战Google深度学习框架》这本书在第五章中给出了MNIST的例子代码，源码可以去代码库中查看https://github.com/caicloud/tensorflow-tutorial，在这里写一下对这个例子的思路总结（最佳实践）：
  为了扩展性变得更好，这里将整个程序分为三个文件，分别如下：
  注意：在编写该程序时，可以看几遍代码熟悉一下，再只看思路不要去看代码，编写自己理解的MNIST

• 前向传播过程以及神经网络的参数封装在一个文件中，在这里是mnist_inference.py。

  1、定义神经网络的前向传播过程，也就是一个方法。
  2、在方法中分别声明第一层与第二层神经网络的变量（权重和偏置项）并完成前向传播过程（举证的乘法），由于正则化需要传入边上的权重，所以需要注意是使用tf.add_to_collection去添加正则损失。
  3、根据所需，定义相关参数（用到了再定义）。
  4、返回结果值。

代码如下：

import tensorflow as tf
INPUT_NODE = 784
OUTPUT_NODE = 10
LAYER1_NODE = 500
# 通过tf.get_variable函数来获取变量。
# 在训练神经网络时会创建这些变量；在测试时会通过保存的模型加载这些变量的值。
# 而且更加方便的是，因为可以在变量加载时将滑动平均变量重命名，所以可以直接通过同样的名字在训练时使用变量自身，
# 而在测试时使用变量的滑动平均值。在这个函数中也会将变量的正则化损失加入损失集合。
def get_weight_variable(shape, regularizer):
    weights = tf.get_variable("weights", shape, initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
    # 当给出了正则化生成函数时，将当前变量的正则化损失加入名字为losses的集合。
    # 在这里使用了add_to_collection函数将一个张量加入一个集合，而这个集合的名称为losses。
    # 这是自定义的集合，不在Tensorflow自动管理的集合列表中。
    if regularizer != None:
        tf.add_to_collection(‘losses‘, regularizer(weights))
    return weights
# 定义神经网络的前向传播过程。
def inference(input_tensor, regularizer):
    # 声明第一层神经网络的变量并完成前向传播过程
    with tf.variable_scope(‘layer1‘):
        # 这里使用tf.get_variable或tf.Variable没有本质区别，因为在训练或是测试中没有在同一个程序中多次调用这个函数。
        # 如果在同一个程序中多次调用，在第一次调用之后需要将reuse参数置为True。
        weights = get_weight_variable([INPUT_NODE, LAYER1_NODE], regularizer)
        biases = tf.get_variable("biases", [LAYER1_NODE], initializer=tf.constant_initializer(0.0))
        layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, weights) + biases)
    # 类似地声明第二层神经网络的变量并完成前向传播过程。
    with tf.variable_scope(‘layer2‘):
        weights = get_weight_variable([LAYER1_NODE, OUTPUT_NODE], regularizer)
        biases = tf.get_variable("biases", [OUTPUT_NODE], initializer=tf.constant_initializer(0.0))
        layer2 = tf.matmul(layer1, weights) + biases
    return layer2

• 训练程序，mnist_train.py

  1、定义训练方法，输入的x、y_、损失类
  2、调用inference的前向传播。
  3、按顺序定义滑动平均、损失函数、设置学习率的梯度下降
  4、使用tf.control_dependencies来一次性完成每过一遍数据需要通过反向传播来更新神经网络参数以及更新每一个参数的滑动平均值这两个操作。
  5、初始化、跑测试并保存1000次的模型
  6、定义主类得到mnist并调用train方法。

代码如下：

import os
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import mnist_inference
BATCH_SIZE = 100
LEARNING_RATE_BASE = 0.8
LEARNING_RATE_DECAY = 0.99
REGULARAZTION_RATE = 0.0001
TRAINING_STEPS = 30000
MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99
# 模型保存的路径和文件名
MODEL_SAVE_PATH = "model/"
MODEL_NAME = "model.ckpt"
def train(mnist):

    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, mnist_inference.INPUT_NODE], name=‘x-input‘)
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, mnist_inference.OUTPUT_NODE], name=‘y-input‘)

    regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(REGULARIZATION_RATE)
    y = mnist_inference.inference(x, regularizer)
    global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
    
    # 定义损失函数、学习率、滑动平均操作以及训练过程。
    variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY, global_step)
    variables_averages_op = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
    cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(y, tf.argmax(y_, 1))
    cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)
    loss = cross_entropy_mean + tf.add_n(tf.get_collection(‘losses‘))
    learning_rate = tf.train.exponential_decay(
        LEARNING_RATE_BASE,
        global_step,
        mnist.train.num_examples / BATCH_SIZE, LEARNING_RATE_DECAY,
        staircase=True)
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss, global_step=global_step)
    with tf.control_dependencies([train_step, variables_averages_op]):
        train_op = tf.no_op(name=‘train‘)
        
    # 初始化TensorFlow持久化类。
    saver = tf.train.Saver()
    with tf.Session() as sess:
        tf.global_variables_initializer().run()

        for i in range(TRAINING_STEPS):
            xs, ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)
            _, loss_value, step = sess.run([train_op, loss, global_step], feed_dict={x: xs, y_: ys})
            if i % 1000 == 0:
                print(step,loss_value)
                saver.save(sess, os.path.join(MODEL_SAVE_PATH, MODEL_NAME), global_step=global_step)
def main(argv=None):
    mnist = input_data.read_data_sets("dataset/", one_hot=True)
    train(mnist)
if __name__ == ‘__main__‘:
    tf.app.run()
    

• 测试程序，mnist_eval.py

  1、定义训练方法，输入的x、y_、损失类
  2、调用inference的前向传播。
  3、获取正确率
  4、加载模型
  5、获得最新保存的模型并测试
  6、定义主类得到mnist并调用train方法。

代码如下：

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

import mnist_inference
import mnist_train

# 每10秒加载一次最新的模型， 并在测试数据上测试最新模型的正确率
EVAL_INTERVAL_SECS = 10


def evaluate(mnist):
    with tf.Graph().as_default() as g:

        x = tf.placeholder(tf.float32, [None, mnist_inference.INPUT_NODE], name=‘x-input‘)
        y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, mnist_inference.OUTPUT_NODE], name=‘y-input‘)
        validate_feed = {x: mnist.validation.images, y_: mnist.validation.labels}
        # 直接通过调用封装好的函数来计算前向传播的结果。
        # 因为测试时不关注正则损失的值，所以这里用于计算正则化损失的函数被设置为None。
        y = mnist_inference.inference(x, None)

        # 使用前向传播的结果计算正确率。
        # 如果需要对未知的样例进行分类，那么使用tf.argmax(y, 1)就可以得到输入样例的预测类别了。
        correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
        accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

        # 通过变量重命名的方式来加载模型，这样在前向传播的过程中就不需要调用求滑动平均的函数来获取平局值了。
        # 这样就可以完全共用mnist_inference.py中定义的前向传播过程，
        # 加载模型的时候将影子变量直接映射到变量的本身
        variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(mnist_train.MOVING_AVERAGE_DECAY)
        variable_to_restore = variable_averages.variables_to_restore()
        saver = tf.train.Saver(variable_to_restore)

        while True:
            with tf.Session() as sess:
                # tf.train.get_checkpoint_state函数会通过checkpoint文件自动找到目录中最新模型的文件名
                ckpt = tf.train.get_checkpoint_state(mnist_train.MODEL_SAVE_PATH)
                if ckpt and ckpt.model_checkpoint_path:
                    # 加载模型
                    saver.restore(sess, ckpt.model_checkpoint_path)
                    # 通过文件名得到模型保存时迭代的轮数
                    global_step = ckpt.model_checkpoint_path.split(‘/‘)[-1].split(‘-‘)[-1]
                    accuracy_score = sess.run(accuracy, feed_dict = validate_feed)
                    print("After %s training step(s), validation accuracy = %f" % (global_step, accuracy_score))
                else:
                    print("No checkpoint file found")
                    return
            #每隔EVAL_INTERVAL_SECS秒调用一次计算正确率的过程以检测训练过程中正确率的变化
            time.sleep(EVAL_INTERVAL_SECS)
def main(argv=None):
    mnist = input_data.read_data_sets("dataset/", one_hot=True)
    evaluate(mnist)
if __name__ == ‘__main__‘:
    tf.app.run()