吴裕雄 python 神经网络TensorFlow实现LeNet模型处理手写数字识别MNIST数据集

import tensorflow as tf

tf.reset_default_graph()

# 配置神经网络的参数
INPUT_NODE = 784
OUTPUT_NODE = 10
IMAGE_SIZE = 28
NUM_CHANNELS = 1
NUM_LABELS = 10

# 第一层卷积层的尺寸和深度
CONV1_DEEP = 32
CONV1_SIZE = 5

# 第二层卷积层的尺寸和深度
CONV2_DEEP = 64
CONV2_SIZE = 5

# 全连接层的节点个数
FC_SIZE = 512

# 定义卷积神经网络的前向传播过程。这里添加了一个新的参数train，用于区分训练过程和测试过程
# 在这个程序中将用到dropout方法，dropout方法可以进一步提升模型可靠性并防止过拟合
# dropout过程只在训练时使用
def inference(input_tensor, train, regularizer):
    # 声明第一层卷积层的变量并实现前向传播过程。
    # 通过使用不同的命名空间来隔离不同层的变量，这可以让每一层中的变量命名
    # 只需要考虑当前层的作用，而不需要担心重命名的问题。和标准LeNet-5模型不大一样，
    # 这里定义的卷积层输入为28*28*1的原始MNIST图片像素，因为卷积层中使用了全0填充
    # 所以输出为28*28*32的矩阵
    with tf.variable_scope('layer1-conv1'):
        conv1_weights = tf.get_variable("weight",
                                        [CONV1_SIZE, CONV1_SIZE, NUM_CHANNELS, CONV1_DEEP],
                                        initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1)
                                        )
        conv1_biases = tf.get_variable("bias", [CONV1_DEEP], initializer=tf.constant_initializer(0.0))
        # 使用边长为5，深度为32的过滤器，过滤器移动的步长为1，且使用全0填充
        conv1 = tf.nn.conv2d(input_tensor, conv1_weights, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
        relu1 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv1, conv1_biases))

    # 实现第二城池化层的前向传播过程。这里选用最大池化层，池化层过滤器的边长为2，
    # 使用全0填充且移动的步长为2.这一层的输入是上一层的输出，也就是28*28*32
    # 的矩阵。输出为14*14*32的矩阵
    with tf.name_scope('layer2-pool1'):
        pool1 = tf.nn.max_pool(relu1, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

    # 声明第三层卷积层的变量并实现前向传播过程。这一层输入为14*14*32的矩阵
    # 输出为14*14*64的矩阵
    with tf.variable_scope('layer3-conv2'):
        conv2_weights = tf.get_variable("weight", [CONV2_SIZE, CONV2_SIZE, CONV1_DEEP, CONV2_DEEP],
                                        initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
        conv2_biases = tf.get_variable("bias", [CONV2_DEEP], initializer=tf.constant_initializer(0.0))
        # 使用边长为5，深度为64的过滤器，过滤器移动的步长为1，且使用全0填充
        conv2 = tf.nn.conv2d(pool1, conv2_weights, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
        relu2 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv2, conv2_biases))

    # 实现第四层池化层的前向传播过程。这一层和第二层的结构是一样的。这一层的输入为
    # 14*14*64的矩阵，输出为7*7*64的矩阵
    with tf.name_scope('layer4-pool2'):
        pool2 = tf.nn.max_pool(relu2, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

    # 将第四层池化层的输出转化为第五层全连接层的输入格式，第四层的输出为7*7*64的矩阵
    # 然而第五层全连接层需要的输入格式为向量，所以在这里需要将这个7*7*64的矩阵拉直成一个向量
    # pool2.get_shape函数可以得到第四层输出矩阵的维度而不需要手工计算
    # 注意因为每一层神经网络的输入输出都为一个batch的矩阵，所以这里得到的维度也包含了一个batch中数据的个数
    pool_shape = pool2.get_shape().as_list()
    # 计算将矩阵拉直成向量之后的长度，这个长度就是矩阵长宽及深度的乘积。注意在这里pool_shape[0]为一个batch中数据的个数
    nodes = pool_shape[1] * pool_shape[2] * pool_shape[3]

    # 通过tf.reshape函数将第四层的输出变成一个batch向量
    reshaped = tf.reshape(pool2, [pool_shape[0], nodes])

    # 声明第五层全连接的变量并实现前向传播过程。这一层的输入是拉直之后的一组向量
    # 向量长度为3136，输出是一组长度为512的向量。
    # 引入了dropout的概念,dropout在训练时会随机将部分节点的输出改为0
    # dropout可以避免过拟合问题，从而使得模型在测试数据上的效果更好
    # dropout一般只在全连接层而不是卷积层或者池化层使用
    with tf.variable_scope('layer5-fc1'):
        fc1_weights = tf.get_variable("weight", [nodes, FC_SIZE],
                                      initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
        # 只用全连接层的权重需要加入正则化
        if regularizer != None:
            tf.add_to_collection('losses', regularizer(fc1_weights))
        fc1_biases = tf.get_variable("bias", [FC_SIZE], initializer=tf.constant_initializer(0.1))
        fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(reshaped, fc1_weights) + fc1_biases)
        if train:
            fc1 = tf.nn.dropout(fc1, 0.5)

    # 声明第六层的变量并实现前向传播过程。这一层的输入为一组长度为512的向量
    # 输出为一组长度为10的向量。这一层的输出通过Softmax之后就得到了最后的分类结果
    with tf.variable_scope('layer6-fc2'):
        fc2_weights = tf.get_variable("weight", [FC_SIZE, NUM_LABELS],
                                      initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
        if regularizer != None:
            tf.add_to_collection('losses', regularizer(fc2_weights))
        fc2_biases = tf.get_variable("bias", [NUM_LABELS], initializer=tf.constant_initializer(0.1))
        logit = tf.matmul(fc1, fc2_weights) + fc2_biases

    return logit

import os
import numpy as np
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

# 配置神经网络的参数
BATCH_SIZE = 100
LEARNING_RATE_BASE = 0.8
LEARNING_RATE_DECAY = 0.99
REGULARAZTION_RATE = 0.0001
TRAINING_STEPS = 20000
MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99

# 模型保存的路径和文件名
MODEL_SAVE_PATH = "E:\MNIST_data\"
MODEL_NAME = "model1.ckpt"


def train(mnist):
    # 定义输入输出placeholder
    x = tf.placeholder(tf.float32, [BATCH_SIZE,# 第一维表示一个batch中样例的个数
                                    IMAGE_SIZE,  
                                    IMAGE_SIZE,  # 第二维和第三维表示图片的尺寸
                                    NUM_CHANNELS],  # 第四维表示图片的深度，对于RGB格式的图片，深度为5
                       name='x-input')
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, OUTPUT_NODE], name='y-input')

    regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(REGULARAZTION_RATE)
    # 直接使用inference中定义的前向传播过程
    y = inference(x, True, 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)
    variable_averages_op = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
    
    cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y, labels=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)
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss, global_step=global_step);
    with tf.control_dependencies([train_step, variable_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()

        # 在训练过程中不再测试模型在验证数据上的表现，验证和测试的过程将会有一个独立的程序来完成
        for i in range(TRAINING_STEPS):
            xs, ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)
            reshaped_xs = np.reshape(xs, (BATCH_SIZE,
                                          IMAGE_SIZE,
                                          IMAGE_SIZE,
                                          NUM_CHANNELS))
            _, loss_value, step = sess.run([train_op, loss, global_step], feed_dict={x: reshaped_xs, y_: ys})

            # 每40轮保存一次模型
            if i % 40 == 0:
                # 输出当前训练情况。这里只输出了模型在当前训练batch上的损失函数大小
                # 通过损失函数的大小可以大概了解训练的情况。在验证数据集上的正确率信息
                # 会有一个单独的程序来生成
                print("After %d training step(s),loss on training batch is %g" % (step, loss_value))

                # 保存当前的模型。注意这里给出了global_step参数，这样可以让每个被保存模型的文件末尾加上训练的轮数
                # 比如"model1.ckpt-41"表示训练41轮之后得到的模型
                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("E:\MNIST_data", one_hot=True)
    train(mnist)
    
main()


# if __name__ == '__main__':
#     main()