TensorFlow入门（三）多层 CNNs 实现 mnist分类

 # TensorFlow Plot

 plt.subplot(212, projection='3d')

 plt.scatter(X[:display_samples, 0], X[:display_samples, 1], X[:display_samples, 2], c=y_pred[:display_samples])

 plt.title("TensorFlow")

  

 plt.show()

之前在keras中用同样的网络和同样的数据集来做这个例子的时候。keras占用了 5647M 的显存（训练过程中设了 validation_split = 0.2， 也就是1.2万张图）。

但是我用 tensorflow 自己写的 batch=50 来测试发现呀只有529的占用显存！！！只是在最后做测试的时候因为是对10000多张图片一次性做预测才占用了 8721M 的显存这里的测试集是 1 万张。如果把预测时候的 batch 也设得比较小的话，那么整个网络只需要很小的显存了。

import numpy as npimport tensorflow as tf# 设置按需使用GPUconfig = tf.ConfigProto()config.gpu_options.allow_growth = Truesess = tf.InteractiveSession(config=config)

1.导入数据，用 tensorflow 导入

# 用tensorflow 导入数据from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_datamnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)

Extracting MNIST_data/train-images-idx3-ubyte.gzExtracting MNIST_data/train-labels-idx1-ubyte.gzExtracting MNIST_data/t10k-images-idx3-ubyte.gzExtracting MNIST_data/t10k-labels-idx1-ubyte.gz

# 看看咱们样本的数量print mnist.test.labels.shapeprint mnist.train.labels.shape

(10000, 10)(55000, 10)

或者从keras中导入数据

# 注意： keras 中导入数据形式不一样哦，需要根据具体情况调整from keras.datasets import mnist(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()print 'X_train.shape=', X_train.shapeprint 'y_train.shape=', y_train.shape# TensorFlow 类别需要使用 one-hot 类型from keras.utils import np_utilsy_train = np_utils.to_categorical(y_train)y_test = np_utils.to_categorical(y_test)print X_train.shapeprint y_train.shape

X_train.shape= (60000, 28, 28)y_train.shape= (60000,)(60000, 28, 28)(60000, 10)

2. 构建网络

# 权值初始化def weight_variable(shape):    # 用正态分布来初始化权值    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)    return tf.Variable(initial)def bias_variable(shape):    # 本例中用relu激活函数，所以用一个很小的正偏置较好    initial = tf.constant(0.1, shape=shape)    return tf.Variable(initial)# 定义卷积层def conv2d(x, W):    # 默认 strides[0]=strides[3]=1, strides[1]为x方向步长，strides[2]为y方向步长    return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1,1,1,1], padding='SAME')# pooling 层def max_pool_2x2(x):    return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1,2,2,1], strides=[1,2,2,1], padding='SAME')X_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])# 把X转为卷积所需要的形式X = tf.reshape(X_, [-1, 28, 28, 1])# 第一层卷积：5×5×1卷积核32个 [5，5，1，32]W_conv1 = weight_variable([5,5,1,32])b_conv1 = bias_variable([32])h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(X, W_conv1) + b_conv1)# 第一个pooling 层h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)# 第二层卷积：5×5×32卷积核64个 [5，5，32，64]W_conv2 = weight_variable([5,5,32,64])b_conv2 = bias_variable([64])h_conv2 = tf.nn.relu(conv2d(h_pool1, W_conv2) + b_conv2)# 第二个pooling 层,输出[None, 7, 7, 64] ? h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)# flattenh_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2, [-1, 7*7*64])# fc1W_fc1 = weight_variable([7*7*64, 1024])b_fc1 = bias_variable([1024])h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool2_flat, W_fc1) + b_fc1)# dropout: 输出的维度和h_fc1一样，只是随机部分值被值为零keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)h_fc1_drop = tf.nn.dropout(h_fc1, keep_prob)# 输出层W_fc2 = weight_variable([1024, 10])b_fc2 = bias_variable([10])y_conv = tf.nn.softmax(tf.matmul(h_fc1_drop, W_fc2) + b_fc2)

3.训练和评估

在测试的时候不使用 mini_batch， 那么测试的时候会占用较多的GPU（4497M），这在 notebook 交互式编程中是不推荐的。

cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y_conv))train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(y_,1))accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))sess.run(tf.initialize_all_variables())for i in range(10000):    batch = mnist.train.next_batch(50)    if i%1000 == 0:        train_accuracy = accuracy.eval(feed_dict={            X_:batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 1.0})        print "step %d, training accuracy %g"%(i, train_accuracy)    train_step.run(feed_dict={X_: batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 0.5})print "test accuracy %g"%accuracy.eval(feed_dict={    X_: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0})

WARNING:tensorflow:From <ipython-input-5-94e05db0c125>:5: initialize_all_variables (from tensorflow.python.ops.variables) is deprecated and will be removed after 2017-03-02.Instructions for updating:Use `tf.global_variables_initializer` instead.step 0, training accuracy 0.12step 1000, training accuracy 0.92step 2000, training accuracy 0.98step 3000, training accuracy 0.96step 4000, training accuracy 1step 5000, training accuracy 1step 6000, training accuracy 1step 7000, training accuracy 1step 8000, training accuracy 1step 9000, training accuracy 1test accuracy 0.9921

下面改成了 test 也用 mini_batch 的形式， 显存只用了 529M,所以还是很成功的。

# 题外话：在做这个例子的过程中遇到过：资源耗尽的错误，为什么？# -> 因为之前每次做 train_acc  的时候用了全部的 55000 张图，显存爆了.# 1.损失函数：cross_entropycross_entropy = -tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y_conv))# 2.优化函数：AdamOptimizertrain_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)# 3.预测准确结果统计#　预测值中最大值（１）即分类结果，是否等于原始标签中的（１）的位置。argmax()取最大值所在的下标correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv, 1), tf.arg_max(y_, 1))  accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))# 如果一次性来做测试的话，可能占用的显存会比较多，所以测试的时候也可以设置较小的batch来看准确率test_acc_sum = tf.Variable(0.0)batch_acc = tf.placeholder(tf.float32)new_test_acc_sum = tf.add(test_acc_sum, batch_acc)update = tf.assign(test_acc_sum, new_test_acc_sum)# 定义了变量必须要初始化，或者下面形式sess.run(tf.global_variables_initializer())# 或者某个变量单独初始化 如：# x.initializer.run()# 训练for i in range(5000):    X_batch, y_batch = mnist.train.next_batch(batch_size=50)    if i % 500 == 0:        train_accuracy = accuracy.eval(feed_dict={X_: X_batch, y_: y_batch, keep_prob: 1.0})        print "step %d, training acc %g" % (i, train_accuracy)    train_step.run(feed_dict={X_: X_batch, y_: y_batch, keep_prob: 0.5})  # 全部训练完了再做测试，batch_size=100for i in range(100):     X_batch, y_batch = mnist.test.next_batch(batch_size=100)    test_acc = accuracy.eval(feed_dict={X_: X_batch, y_: y_batch, keep_prob: 1.0})    update.eval(feed_dict={batch_acc: test_acc})    if (i+1) % 20 == 0:        print "testing step %d, test_acc_sum %g" % (i+1, test_acc_sum.eval())print " test_accuracy %g" % (test_acc_sum.eval() / 100.0)

step 0, training acc 0.16step 500, training acc 0.9step 1000, training acc 0.98step 1500, training acc 0.96step 2000, training acc 1step 2500, training acc 0.98step 3000, training acc 1step 3500, training acc 0.96step 4000, training acc 1step 4500, training acc 1testing step 20, test_acc_sum 19.65testing step 40, test_acc_sum 39.21testing step 60, test_acc_sum 58.86testing step 80, test_acc_sum 78.71testing step 100, test_acc_sum 98.54 test_accuracy 0.9854

4. 查看网络中间结果

在学习 CNN 的过程中，老是看到他们用图片的形式展示了中间层卷积的输出。好吧，这下我必须得自己实现以下看看呀！！！ 

关于 python 图片操作主要有 matplotlib 和 PIL 两个库（refer to: http://www.cnblogs.com/yinxiangnan-charles/p/5928689.html）。 

我们使用 matplotlib 来完成这个任务。

4.1 图像操作基础

# 我们先来看看数据是什么样的img1 = mnist.train.images[1]label1 = mnist.train.labels[1]print label1  # 所以这个是数字 6 的图片print 'img_data shape =', img1.shape  # 我们需要把它转为 28 * 28 的矩阵img1.shape = [28, 28]

[ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.]img_data shape = (784,)

import matplotlib.pyplot as plt# import matplotlib.image as mpimg  # 用于读取图片，这里用不上print img1.shape

(28, 28)

plt.imshow(img1)plt.axis('off') # 不显示坐标轴plt.show()   

plt.imshow?

好吧，是显示了图片，但是结果是热度图像。我们想显示的是灰度图像。

# 我们可以通过设置 cmap 参数来显示灰度图plt.imshow(img1, cmap='gray') # 'hot' 是热度图plt.show()

我们想看 Conv1 层的32个卷积滤波后的结果，显示在同一张图上。 python 中也有 plt.subplot(121) 这样的方法来帮我们解决这个问题。如下：先看两个试试

plt.subplot?

img1.shape

(1, 784)

plt.subplot(4,8,1)plt.imshow(img1, cmap='gray')plt.axis('off')plt.subplot(4,8,2)plt.imshow(img1, cmap='gray')plt.axis('off')plt.show()

4.2 显示网络中间结果

好了，有了前面的图像操作基础，我们就该试试吧！！！

# 首先应该把 img1 转为正确的shape (None, 784)X_img = img1.reshape([-1, 784])y_img = mnist.train.labels[1].reshape([-1, 10])# 我们要看 Conv1 的结果，即 h_conv1result = h_conv1.eval(feed_dict={X_: X_img, y_: y_img, keep_prob: 1.0})print result.shapeprint type(result)

(1, 28, 28, 32)<type 'numpy.ndarray'>

好的，我们成功的计算得到了 h_conv1，那么赶紧 imshow() 看看吧！！！

for _ in xrange(32):    show_img = result[:,:,:,_]    show_img.shape = [28, 28]    plt.subplot(4, 8, _ + 1)    plt.imshow(show_img, cmap='gray')    plt.axis('off')plt.show()

哈哈，成功啦！从上面的结果中，我们可以看到不同的滤波器（卷积核）学习到了不同的特征。比如第一行中，第一个滤波器学习到了边缘信息，第5个卷积核，则学习到了骨干的信息。感觉好有趣，不由自主的想对另一个数字看看。

# 输出前10个看看，我选择数字 9 来试试print mnist.train.labels[:10]

[[ 0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.] [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.] [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.] [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.] [ 0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.  0.] [ 0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.] [ 0.  0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.] [ 0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.  0.] [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.] [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.]]

# 首先应该把 img1 转为正确的shape (None, 784)X_img = mnist.train.images[2].reshape([-1, 784])y_img = mnist.train.labels[1].reshape([-1, 10]) # 这个标签只要维度一致就行了result = h_conv1.eval(feed_dict={X_: X_img, y_: y_img, keep_prob: 1.0})for _ in xrange(32):    show_img = result[:,:,:,_]    show_img.shape = [28, 28]    plt.subplot(4, 8, _ + 1)    plt.imshow(show_img, cmap='gray')    plt.axis('off')plt.show()

第一个核还是主要学习到了边缘特征，第五个核还是学到了骨干特征（当然在某种程度上）。好吧，本次就到这啦！