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全连接网络基础1——MNIST数据集

孙中明 2023-03-28 原文
mnist 数据集 :包含 7 7 万张 黑底白字手写数字 图片, 其中 0 55000 张为训练集 , 5000 张为验证集,10 0000 张 为测试集 。每张图片大小为 28*28 像素,图片中 纯 黑 色像素 值为 0 , 纯 白色像素值为 1 。数据集 的 标 签是长度为 10 的一维数组,数组 中每个元素 索引号 表示对应数字 出现的概率 。

在将 mnist 数据集作为输入喂入神经网络时,需先将数据集中每张图片变为长度 784 一维数组,将该数组作为神经网络输入特征喂入神经网络。

例如: 一张数字手写体图片变成长度为 784 的一维数组[0.0.0.0.0.231 0.235 0.459 ……0.219 0.0.0.0.]输入神经网络。该图片对应的标签为[0.0.0.0.0.0.1.0. 0.0],标签中索引号为 6 的元素为 1,表示是数字 6 出现的概率为 100%,则该图 片对应的识别结果是 6。

√ 使用 input_data模块中的 read_data_sets( () )函数 加载 mnist 数据集:

from tensorflo w.examples.tutorials.mnist import input_data mnist = input_data.read_data_sets( ’ ./data/’,one_hot=True) read_data_sets()函数中有两个参数,第一个参数表示数据集存放路径,第 二个参数表示数据集的存取形式。当第二个参数为 Ture 时,表示以独热码形式 存取数据集。read_data_sets()函数运行时,会检查指定路径内是否已经有数据 集,若指定路径中没有数据集,则自动下载,并将 mnist数据集分为训练集 train、 验证集 validation 和测试集 test 存放。在终端显示如下内容:

Extracting ./data/train-images-idx3-ubyte.gz Extracting ./data/train-labels-idx1-ubyte.gz Extracting ./data/tl0k-images-idx3-ubyte.gz Extracting ./data/ tl0k-labels-idx1-ubyte.gz √ 返回 mnist 数据集中 训练集 train 、验证集 n validation 和测试集 test 样本数 在 Tensorflow 中用以下函数返回子集样本数: ① 返回 训练集 train 样本数

print “train data size:”,mnist.train.mun_examples 输出结果:

train data size:55000 ②返回 验证集 validation 样本数

print “ va lidation d ata size:”,mnist. validation .mun_examples 输出结果:validation data size:5000 ③返回 测试集 test 样本数

print “test data size:”,mnist.test.mun_examples 输出结果:test data size:10000 √ 使用 train.labels 函数 返回mnist 数据集 标签

例如: 在 mnist 数据集中,若想要查看训练集中第 0 张图片的标签,则使用如下函数

mnist.train.labels[0] 输出结果:

array([0.,0.,0.,0.,0.,0.,1.,0.,0.,0]) √ 使用 train.images 函数 返回mnist 数据集 图片 像素值

例如: 在 mnist 数据集中,若想要查看训练集中第 0 张图片像素值,则使用如下函数

mnist.train.images[0] 输出结果:

array([0. ,0. ,0. , 0. ,0. ,0. , 0. ,0. ,0. , … … …]) √ 使用 mnist.train.next_batch( () ) 函数将数据输入 神经网络 例如:

BATCH_SIZE = 200 xs,ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE) print “xs shape:”,xs.shape print “ys shape:”,ys.shape 输出结果:xs.shape(200,784) 输出结果:ys.shape(200,10) 其中,mnist.train.next_batch()函数包含一个参数 BATCH_SIZE,表示随机从训 练集中抽取 BATCH_SIZE 个样本输入神经网络,并将样本的像素值和标签分别赋 给 xs 和 ys。在本例中,BATCH_SIZE 设置为 200,表示一次将 200 个样本的像素 值和标签分别赋值给 xs 和 ys,故 xs 的形状为(200,784),对应的 ys 的形状为 (200,10)。

实现“ Mnist 数据集手写数字识别 ”的常用函数:

tf. . get_collection(“”)函数表示从 从 collection 集合中取出全部变量生成 一个列表 。 ② tf. . add( ) )函数表示将参数 列表 中 对应元素相加 。

例如:

x=tf.constant([[1,2],[1,2]]) y=tf.constant([[1,1],[1,2]]) z=tf.add(x,y) print z 输出结果:

[[2,3],[2,4]] tf. . cast(x,dtype)

函数表示将参数 x 转换为指定 数据 类型 。 例如:

A = tf.convert_to_tensor(np.array([[1,1,2,4], [3,4,8,5]])) print A.dtype b = tf.cast(A, tf.float32) print b.dtype 结果输出:

<dtype: 'int64'> <dtype: 'float32'> 从输出结果看出,将矩阵 A 由整数型变为 32 位浮点型

tf.equal( ) ) 函数表示对比两个矩阵或者向量的元素。若对应元素相等,则返 回 回 True ;若对应元素不相等,则返回 False 。 例如:

A = [[1,3,4,5,6]] B = [[1,3,4,3,2]] with tf.Session( ) as sess: print(sess.run(tf.equal(A, B))) 输出结果:

[[ True True True False False]] 在矩阵 A 和 B 中,第 1、2、3 个元素相等,第 4、5 个元素不等,故输出结果中, 第 1、2、3 个元素取值为 True,第 4、5 个元素取值为 False。

tf.reduce_mean( x,axis) ) 函数表示求取矩阵或张量指定维度的平均值。 若 不 指定第二个参数, 则 在所有元素中取平均值 ;若 指定第二个参数为 0 0 ,则 在 第一 维元素 上 取平均值,即每一列求平均值 ;若 指定第二个参数为 1 1 ,则 在 第二维元 素 上 取平均值,即每一行求平均值 。

例如:

x = [[1., 1.] [2., 2.]] print(tf.reduce_mean(x)) 输出结果:1.5 print(tf.reduce_mean(x, 0)) 输出结果:[1.5, 1.5] print(tf.reduce_mean(x, 1)) 输出结果:[1., 1.] tf. . argmax(x,axis)函数表示 返回 指定维度 asxis 下,参数 x 中 最大值索引号 。 例如:

在 tf.argmax([1,0,0],1)函数中,axis 为 1,参数 x 为[1,0,0],表示在参数 x 的第一个维度取最大值对应的索引号,故返回 0。

os.path.join () 函数表示 把 参数 字符串按照路径命名规则拼接。

例如:

import os os.path.join('/hello/','good/boy/','doiido') 输出结果:'/hello/good/boy/doiido'

⑧ 字符串. . split( ) ) 函数表示定 按照指定 “ 拆分符 ” 对字符串拆分, , 返回拆分列表 。

例如:

'./model/mnist_model-1001'.split('/')[-1].split('-')[-1] 在该例子中,共进行两次拆分。第一个拆分符为‘/’,返回拆分列表,并提取 列表中索引为-1 的元素即倒数第一个元素;第二个拆分符为‘-’,返回拆分列 表,并提取列表中索引为-1 的元素即倒数第一个元素,故函数返回值为 1001。

tf.Graph( ).as_default( ) ) 函数表示将当前图设置成为默认图,并返回一 个上下文管理器 。 该函数 一般与 w wh ith 关键字 搭配使用 ,应用于将 已经定义好 的 神经网络在计算图中复现。

例如: with tf.Graph().as_default() as g,表示将在 Graph()内定义的节点加入到 计算图 g 中。

√ 神经网络模型的保存 在 反向传播过程中,一般会间隔一定轮数保存一次神经网络模型, 并产生三个 文件( 保存当前图结构 的.meta 文件 、 保存当前参数名 的.index 文件 、 保存当 前参数 的.data 文件 ) ,在 T ensorflow中如下表示:

saver = tf.train.Saver() with tf.Session() as sess: for i in range(STEPS): if i % 轮数 == 0: saver.save(sess, os.path.join(MODEL_SAVE_PATH, MODEL_NAME), global_step=global_step) 其中,tf.train.Saver()用来实例化 saver 对象。上述代码表示,神经网络每循 环规定的轮数,将神经网络模型中所有的参数等信息保存到指定的路径中,并在 存放网络模型的文件夹名称中注明保存模型时的训练轮数。

√ 神经网络模型的加载 在测试网络效果时,需要将训练好的神经网络模型加载 ,在 T ensorflow 中 这 样 表示:

with tf.Session() as sess: ckpt = tf.train.get_checkpoint_state( 存储路径) ) if ckpt and ckpt.model_checkpoint_path: saver.restore(sess, ckpt.model_checkpoint_path) 在 with 结构中进行加载保存的神经网络模型,若 ckpt 和保存的模型在指定路 径中存在,则将保存的神经网络模型加载到当前会话中。 √ 加载模型中参数的滑动平均值 在保存模型时,若模型中采用滑动平均,则参数的滑动平均值会保存在相应文件 中。 通过实例化 saver r 对象 , 实现参数滑动平均值的加载,在 T Tw ensorflow 中 如 下表示:

ema = tf.train.ExponentialMovingAverage( ( 滑动平均基数) ) ema_restore = ema.variables_to_restore() saver = tf.train.Saver(ema_restore) √ 神经网络模型准确率评估方法 在网络评估时,一般通过计算在一组数据上的识别准确率 , 评估神经网络的 效 果 。在 Tensorflow 中 这样 表示:

correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1)) accuracy = tf.reduce_mean( tf.cast(correct_prediction, tf.float32)) 在上述中,y 表示在一组数据(即 batch_size 个数据)上神经网络模型的预测 结果,y 的形状为[batch_size,10],每一行表示一张图片的识别结果。通过 tf.argmax()函数取出每张图片对应向量中最大值元素对应的索引值,组成长度 为输入数据 batch_size 个的一维数组。通过 tf.equal()函数判断预测结果张量 和实际标签张量的每个维度是否相等,若相等则返回 True,不相等则返回 False。 通 过 tf.cast() 函 数 将 得 到 的 布 尔 型 数 值 转 化 为 实 数 型 , 再 通 过 tf.reduce_mean()函数求平均值,最终得到神经网络模型在本组数据上的准确率。

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