• 分类应用入门—MNIST手写数字识别


    背景:MNIST 数据集来自美国国家标准与技术研究所,National Institute of Standardsand Technology (NIST).

    数据集由来自250个不同人手写的数字构成,其中50%是高中学生,50%来自人口普查局(the Census Bureau)的工作人员
    其中,训练集55000验证集5000 测试集10000。MNIST 数据集可在 http://yann.lecun.com/exdb/mnist/ 获取,也可以不下载因为TensorFlow提供了数据集读取方法。

    一、数据下载和读取

    1.1数据下载

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

    MNIST数据集文件在读取时如果指定目录下不存在,则会自动去下载,需等待一定时间如果已经存在了,则直接读取。

    1.2数据读取

    import tensorflow.examples.tutorials.mnist.input_data as input_data
    
    mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/",one_hot=True)
    print('训练集train 数量:',mnist.train.num_examples,',验证集 validation 数量:',mnist.validation.num_examples,',测试集test 数量:',mnist.test.num_examples)

    print('train images shape:',mnist.train.images.shape,'labels shaple:',mnist.train.labels.shape)
    #(55000,784)意思是5w5千条,每一条784位(图片大小28*28);(55000,10):10分类 One Hot编码

    1.2.1数据的批量读取

    MNIST数据包里提供了  .next_batch方法,可实现批量读取

     

     

     1.3可视化image

    def plot_image(image):
          plt.imshow(image.reshape(28,28),cmap='binary')
          plt.show()
    plot_image(mnist.train.images[1])

     二、标签数据与独热编码

    2.1独热编码简介

    一种稀疏向量,其中:一个元素设为1,所有其他元素均设为0
    独热编码常用于表示拥有有限个可能值的字符串或标识符
    例如:假设某个植物学数据集记录了15000个不同的物种,其中每个物种都用独一无二的字符串标识符来表示。在特征工程过程中,可能需要将这些字符串标识符编码为独热向量,向量的大小为15000

          为什么要采用one hot编码?

    • 将离散特征的取值扩展到了欧式空间,离散特征的某个取值就对应欧式空间的某个点
    • 机器学习算法中,特征之间距离的计算或相似度的常用计算方法都是基于欧式空间的
    • 将离散型特征使用one-hot编码,会让特征之间的距离计算更加合理

      独热编码如何取值?

     非独热编码的标签值:

     三、模型构建

    3.1定义待输入数据的占位符

    #mnist 中每张图片共有28*28=784个像素点
    x=tf.placeholder(tf.float32,[None,784],name="X")
    #0-9一共10个数字=>10个类别
    y=tf.placeholder(tf.float32,[None,10],name="Y")

    3.2定义模型变量

    在本案例中,以正态分布的随机数初始化权重W,以常数0初始化偏置b

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

    3.3定义前向计算和结果分类

    forward = tf.matmul(x, W) + b #前向计算

      当我们处理多分类任务时,通常需要使用Softmax Regression模型。
      Softmax Regression会对每一类别估算出一个概率。
      工作原理:将判定为某一类的特征相加,然后将这些特征转化为判定是这一类的概率。

    pred = tf.nn.softmax(forward) #Softmax分类

     四、训练模型

    4.1设置训练参数

    train_epochs = 50   #训练轮数
    batch_size=100      #单次训练样本数(批次大小)
    total_batch= int(mnist.train.num_examples/batch_size)#一轮训练有多少批次
    display_step=1     #显示粒度
    learning_rate=0.01   #学习率

    4.2定义损失函数,选择优化器

    loss_function = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y*tf.log(pred),reduction_indices=1))   #定义交叉熵损失函数
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss_function)  #梯度下降优化器

    4.3定义准确率

    #检查预测类别tf.argmax(pred,1)与实际类别tf.argmax(y.1)的匹配情况,argmax能把最大值的下标取出来
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(pred,1),tf.argmax(y,1))#相等则返回True
    #准确率,将布尔值转化为浮点数,并计算平均值
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))
    sess = tf.Session()#声明会活
    init = tf.global_variables_initializer()#变量初始化
    sess.run(init)

    拓展部分:argmax()用法

     

     

     

     4.4训练过程

    #开始训练
    for epoch in range(train_epochs):
        for batch in range(total_batch):
              xs,ys = mnist.train.next_batch(batch_size)  # 读取批次数据
              sess.run(optimizer,feed_dict={x:xs,y:ys})   # 执行批次训练
        #total_batch个批次训练完成后,使用验证数据计算课差与准确率;验证集没有分批
        loss,acc = sess.run([loss_function,accuracy],feed_dict={x:mnist.validation.images,y:mnist.validation.labels})
        #打印训练过程中的详细信息
        if (epoch+1) % display_step == 0:
            print("Train Epoch:",'%02d' %(epoch+1),"Loss=","{:.9f}".format(loss),"Accuracy=","{:.4f}".format(acc))
    print("Train Finished!")

    运行结果为:

     

    从结果可以看出,损失值Loss是趋于更小的,准确率Accuracy越来越高,可以修改参数,使得准确率(验证集)到90%以上~~

    五、评估模型

    完成训练后,在测试集上评估模型的准确率

    accu_test = sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.test.images,y:mnist.test.labels})
    print("Test Accuracy:",accu_test)

    Note:测试环节中没有分批,所有测试数据1万条直接执行

     测试结果86.14%,  上面模型训练时是由验证集的数据做出来的,是86.46%。

    在训练集上评估模型的准确率

    accu_train = sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.train.images,y:mnist.train.labels})
    print("Test Accuracy:",accu_train)

     通过数据集的合理划分,训练和验证效果差不多,准确率比较满意则可以进行模型预测。

    六、模型应用和可视化

    #模型预测
    #由于pred预测结果是one-hot编码格式,所以需要转换为0-9数字
    prediction_result = sess.run(tf.argmax(pred,1),feed_dict={x:mnist.test.images})
    
    print(prediction_result[0:10])  #查看预测结果中的前10项

     然而不够直观,不能与数据集的图片相对应。

    6.1定义可视化函数

     1 def plot_images_labels_prediction(images,labels,prediction,index,num=10):   #图像列表,标签列表,预测值列表,从第index个开始显示 , 缺省一次显示10幅
     2     fig = plt.gcf() #获取当前图表,get current figure
     3     fig.set_size_inches(10,12)  #1英寸等于2.54cm
     4     if num > 25:
     5         num = 25  #最多显示25个子图
     6     for i in range(0, num):
     7         ax = plt.subplot(5,5,i+1)  #获取当前要处理的子图
     8         ax.imshow(np.reshape(images[index], (28, 28)),cmap='binary')  # 显示第index个图像
     9         title = "label=" + str(np.argmax(labels[index]))# 构建该图上要显示的
    10         if len(prediction)>0:
    11             title += ",predict="+ str(prediction[index])
    12         ax.set_title(title, fontsize=10)  #显示图上title信息
    13         ax.set_xticks([])  #不显示坐标轴
    14         ax.set_yticks([])
    15         index += 1
    16     plt.show()

    Note:第10行代码意思是如果参数预测值列表为空,也是可以的,这样可以直接用该函数查看训练值

    6.2可视化预测结果

    plot_images_labels_prediction(mnist.test.images,mnist.test.labels,prediction_result,0,15) #0代表下标从0幅开始,15表示最多显示15幅

    运行结果为:

    通过可视化,可以更直观的查看哪些预测对了 哪些预测错了。

    plot_images_labels_prediction(mnist.test.images,mnist.test.labels,[],0,15) 

    如果参数预测列表设为空,也能执行,只不过不显示预测标签的值。这时函数相当于查看训练集,运行结果为:

    完整代码如下

    #Created by:Huang
    #Time:2019/10/9 0009.
    import tensorflow as tf
    import tensorflow.examples.tutorials.mnist.input_data as input_data
    import matplotlib.pyplot as plt
    import numpy as np
    
    mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/",one_hot=True)
    # print('训练集train 数量:',mnist.train.num_examples,',验证集 validation 数量:',mnist.validation.num_examples,',测试集test 数量:',mnist.test.num_examples)
    
    # print('train images shape:',mnist.train.images.shape,'labels shaple:',mnist.train.labels.shape)
    #(55000,784)意思是5w5千条,每一条784位(图片大小28*28);(55000,10):10分类 One Hot编码
    # def plot_image(image):
    #       plt.imshow(image.reshape(28,28),cmap='binary')
    #       plt.show()
    # plot_image(mnist.train.images[20000])
    x = tf.placeholder(tf.float32,[None,784],name="X")#mnist 中每张图片共有28*28=784个像素点
    y = tf.placeholder(tf.float32,[None,10],name="Y")#0-9一共10个数字=>10个类别
    
    W= tf.Variable(tf.random_normal([784,10]),name="W")  #定义变量
    b= tf.Variable(tf.zeros([10]),name="b")
    #用单个神经元构建神经网络
    forward = tf.matmul(x, W) + b  #前向计算
    pred = tf.nn.softmax(forward)  #Softmax分类
    
    train_epochs = 50   #训练轮数
    batch_size=100      #单次训练样本数(批次大小)
    total_batch= int(mnist.train.num_examples/batch_size)#一轮训练有多少批次
    display_step=1     #显示粒度
    learning_rate=0.01   #学习率
    
    loss_function = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y*tf.log(pred),reduction_indices=1))   #定义交叉熵损失函数
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss_function)  #梯度下降优化器
    
    #检查预测类别tf.argmax(pred,1)与实际类别tf.argmax(y.1)的匹配情况,argmax能把最大值的下标取出来
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(pred,1),tf.argmax(y,1))
    #准确率,将布尔值转化为浮点数,并计算平均值
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction,tf.float32))
    sess = tf.Session()#声明会活
    init = tf.global_variables_initializer()#变量初始化
    sess.run(init)
    
    #开始训练
    for epoch in range(train_epochs):
        for batch in range(total_batch):
              xs,ys = mnist.train.next_batch(batch_size)  # 读取批次数据
              sess.run(optimizer,feed_dict={x:xs,y:ys})   # 执行批次训练
        #total_batch个批次训练完成后,使用验证数据计算课差与准确率;验证集没有分批
        loss,acc = sess.run([loss_function,accuracy],feed_dict={x:mnist.validation.images,y:mnist.validation.labels})
        #打印训练过程中的详细信息
        if (epoch+1) % display_step == 0:
            print("Train Epoch:",'%02d' %(epoch+1),"Loss=","{:.9f}".format(loss),"Accuracy=","{:.4f}".format(acc))
    print("Train Finished!")
    
    
    accu_test = sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.test.images,y:mnist.test.labels})
    print("Test Accuracy:",accu_test)
    
    accu_train = sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.train.images,y:mnist.train.labels})
    print("Train Accuracy:",accu_train)
    
    #模型预测
    #由于pred预测结果是one-hot编码格式,所以需要转换为0-9数字
    prediction_result = sess.run(tf.argmax(pred,1),feed_dict={x:mnist.test.images})
    
    print(prediction_result[0:10])  #查看预测结果中的前10项
    
    
    def plot_images_labels_prediction(images,labels,prediction,index,num=10):   #图像列表,标签列表,预测值列表,从第index个开始显示 , 缺省一次显示10幅
        fig = plt.gcf() #获取当前图表,get current figure
        fig.set_size_inches(10,12)  #1英寸等于2.54cm
        if num > 25:
            num = 25  #最多显示25个子图
        for i in range(0, num):
            ax = plt.subplot(5,5,i+1)  #获取当前要处理的子图
            ax.imshow(np.reshape(images[index], (28, 28)),cmap='binary')  # 显示第index个图像
            title = "label=" + str(np.argmax(labels[index]))# 构建该图上要显示的
            if len(prediction)>0:
                title += ",predict="+ str(prediction[index])
            ax.set_title(title, fontsize=10)  #显示图上title信息
            ax.set_xticks([])  #不显示坐标轴
            ax.set_yticks([])
            index += 1
        plt.show()
    
    
    plot_images_labels_prediction(mnist.test.images,mnist.test.labels,prediction_result,0,15)  #最多显示25张
    # plot_images_labels_prediction(mnist.test.images,mnist.test.labels,[],0,15)  #最多显示25张
    MNIST_SR7.1 Code
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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/HuangYJ/p/11642475.html
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