【神经网络chapter3】用Tensorflow构建多层卷积网络

卷积神经网络不再是对每一个像素进行处理，而是对图片上每一小块像素区域进行处理，加强了图片信息的连续性，使得神经网络能够看到一个图形而非一个点，擅长处理图片识别，自然语言，视频处理。

1.权重初始化

为了创建这个模型，我们需要创建大量的权重和偏置项。这个模型中的权重在初始化时应该加入少量的噪声来打破对称性以及避免0梯度。由于我们使用的是ReLU神经元，因此比较好的做法是用一个较小的正数来初始化偏置项，以避免神经元节点输出恒为0的问题（dead neurons）。

"""
tf.truncated_normal(shape, mean=0.0, stddev=1.0，dtype=tf.float32, seed=None, name=None) :shape表示生成张量的维度，mean是均值，stddev是标准差。
从截断的正态分布中输出随机值。
生成的值服从具有指定平均值和标准偏差的正态分布，如果生成的值大于平均值2个标准偏差的值则丢弃重新选择。
横轴区间（μ-2σ，μ+2σ）内的面积为95.449974%。 
在tf.truncated_normal中如果x的取值在区间（μ-2σ，μ+2σ）之外则重新进行选择。这样保证了生成的值都在均值附近。
"""
def weight_variable(shape):
    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)
    return tf.Variable(initial)

def bias_variable(shape):
    initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
    return tf.Variable(initial)

2.卷积和池化

"""
input：输入图片，格式为[batch，长，宽，通道数]，batch就是一批训练数据有多少张照片，通道数实际上是输入图片的三维矩阵的深度，如果是普通灰度照片，通道数就是1，如果是RGB彩色照片，通道数就是3。
filter：就是卷积核，其格式为[长，宽，输入通道数，输出通道数]，其中长和宽指的是本次卷积计算的卷积核的规格，输入通道数应当和input的通道数一致，输出通道数可以随意指定。
strides:是步长，一般情况下的格式为[1，长上步长，宽上步长，1]，所谓步长就是指卷积核每次在长和宽上滑动多少会停下来计算一次卷积。这个步长不一定要能够被输入图片的长和宽整除。
padding：可以取'VALID' 或者'SAME'"""
def conv2d(x, W):
    return tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
"""
pooling 有两种，一种是最大值池化，一种是平均值池化.
本例采用的是最大值池化tf.max_pool()。
value：需要池化的输入，一般池化层接在卷积层后面，所以输入通常是feature map，依然是[batch, height, width, channels]这样的shape
ksize：池化窗口的大小，取一个四维向量，一般是[1, height, width, 1]，因为我们不想在batch和channels上做池化，所以这两个维度设为了1
strides：和卷积类似，窗口在每一个维度上滑动的步长，一般也是[1, 长上步长，宽上步长, 1]
padding：和卷积类似，可以取'VALID' 或者'SAME'
"""
def max_pool_2x2(x):
    return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, 2, 2, 1],strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

3.构建网络

# 第一层卷积
"""
前两个维度是patch的大小，接着是输入的通道数目，最后是输出的通道数目。 
而对于每一个输出通道都有一个对应的偏置量。
"""
W_conv1 = weight_variable([5, 5, 1, 32])
b_conv1 = bias_variable([32])

"""
我们把x变成一个4d向量，其第2、第3维对应图片的宽、高，最后一维代表图片的颜色通道数(因为是灰度图所以这里的通道数为1，如果是rgb彩色图，则为3)
"""
x = tf.placeholder("float", shape=[None, 784])
y_ = tf.placeholder("float", shape=[None, 10])
x_image = tf.reshape(x, [-1,28,28,1])

h_conv1 = tf.nn.relu(conv2d(x_image, W_conv1) + b_conv1)
h_pool1 = max_pool_2x2(h_conv1)

# 第二层卷积
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)
h_pool2 = max_pool_2x2(h_conv2)

# 全连接层
W_fc1 = weight_variable([7 * 7 * 64, 1024])  
b_fc1 = bias_variable([1024])
h_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2, [-1, 7*7*64])
h_fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool2_flat, W_fc1) + b_fc1)

# dropout
keep_prob = tf.placeholder("float")
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)

4.训练和评估模型


# 训练模型
cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y_conv))
train_step = tf.train.AdamOptimizer(1e-4).minimize(cross_entropy)

# 评估模型
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv,1), tf.argmax(y_,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    for i in range(2000):
        batch = mnist.train.next_batch(100)
        train_step.run(feed_dict={x: batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 0.5})
        if i%100 == 0:
            #acc = accuracy.eval(feed_dict={x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0})
            acc = sess.run(accuracy,feed_dict={x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0})
            print("step %d, test accuracy %g"%(i,acc))