使用tensorflow构建卷积神经网络（CNN）

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Convolutional Neural Networks (卷积神经网络)

术语罗列

• Convolutional layer 卷积层
• pooling layer 池化层
• Fully connected 全连接层

简介

1962年受Hubel和Wiesel对猫视觉皮层电生理研究启发，Kunihiko Fukishima(福岛邦彦）最先提出了卷积神经网络（CNN），近年来卷积神经网络发展迅速，在语音识别、人脸识别、通用物体识别、运动分析。tensorflow为手写字符推荐的算法就是卷积神经网络，模型识别率高达99.6%

卷积神经网络原理

• 神经网络
• 含有隐含层的神经网络
• 卷积神经网络
• 使用python代码实现卷积神经网络

1.神经网络

神经网络过程图

具体过程就是。神经信号x乘上权重向量w，经过输入函数（Net input function）求和后，由激活函数（Activation function）输出。监督学习过程中，输出结果将会对比数据集样本结果（label），使用损失函数（cost function）计算损失，并且经过优化器迭代后更新权重。

2.含有隐含层的神经网络

神经网络隐含层

注意：Layer L1 为输入层，L2为隐含层，L3为输出层，h（x）为假设函数

这种神经网络叫做反向传播（Back Propagation）神经网络，简称BP网络，一般使用**sigmoid（s型）**激活函数。

3.卷积神经网络

卷积神经网络包含了一个由卷积层和子采样层构成的特征抽取器。

卷积层通常包含若干个特征平面（featureMap），每一个特征平面由一些矩形排列的神经元组成，同一特征平面的神经元共享权值，这个共享权值就是卷积核。卷积核一般以随机小数矩阵的形式初始化，在网络的训练过程中卷积核将学习得到合理的权值。

子采样也叫做池化（pooling），通常有均值采样（mean poooling）和 最大值采样（max pooling）两种形式。

卷积神经网络分为了三部分，第一部分为输入层，第二部分由若干个卷积层和池化层 组成，第三部分为一个全连接的多层感知分类器构成。

卷积神经网络

Convolutional layer ：卷积层

Pooling layer ：池化层

Fully connected layer： 全连接层

卷积层工作原理

卷积层工作原理

卷积层的作用就是把数据通过weight变成特征向量。

池化层工作原理

池化层的作用就是把数据用最大值或者平均值代替。达到降低数据量的目的。

4. Python 代码实现（使用TensorFlow）

代码片段

1. tensorflow 的卷积层

tf.nn.conv2d(input,#输入的应该是一个四维图像数据[batch,in_height,in_width,in_channels]
             filter, #卷积核的四维数据[height,width,in_channels,out_channels]
             trides,
             padding,
             use_cudnn_on_gpu=None,
             data_format=None,#表示输入的格式默认为NHWC
             name=None)

2. tensorflow 的池化层

tf.nn.max_pool(value,#输入的是一个四维数据[batch,height,width,channels]
               ksize,# 池化窗口大小[1,height,width,1]
               strides,
               padding,
               data_format=’NHWC’,
               name=None)

环境安装

1.安装tensorflow

pip install tensorflow 或者 pip install tensorflow-gpu

2. 安装PIL

推荐使用whl进行安装 ：Pillow的地址

3. 安装科学计算库numpy

pip install numpy

这一步，我们引入了所需的库，并且声明了一个changeImage的转换方法

import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("/tmp/data/", one_hot=True)
from PIL import Image
import base64
import re
import numpy as np
import time

# 创建一个changeImage方法将base64图片转化为模型可用的数据集，方便服务器之间传输
def changeImage(dataUrl):
    dataUrl = re.sub('^data:image/.+;base64,','',dataUrl)
    image_s = base64.b64decode(dataUrl)
    fileName ='test.jpg'
    file= open(fileName,'wb')  
    file.write(image_s)  
    file.close()
    img = Image.open('./test.jpg').convert('L')
    if img.size[0] != 28 or img.size[1] != 28:
        img = img.resize((28, 28))
    arr = []
    for i in range(28):
        for j in range(28):
            pixel = 1.0 - float(img.getpixel((j, i)))/255.0
            arr.append(pixel)
    image_data = np.array(arr).reshape((1,784))
    return image_data

这一步，我们声明了一些神经网络的参数

learning_rate = 0.001 #学习率 
batch_size = 128 #批大小
num_steps = 500 #使用的样本数量
display_step = 50 #显示间隔

num_input = 784 #image shape:28*28
num_classes = 10 # MNIST total classes (0-9 digits)
dropout = 0.75 #用于随机丢弃，防止过拟

X = tf.placeholder(tf.float32, [None, num_input])
Y = tf.placeholder(tf.float32, [None, num_classes])
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)

创建我们的模型

def conv2d(x, W, b, strides=1):
    # Conv2D wrapper, with bias and relu activation
    x = tf.nn.conv2d(x, W, strides=[1, strides, strides, 1], padding='SAME')
    x = tf.nn.bias_add(x, b)
    return tf.nn.relu(x)


def maxpool2d(x, k=2):
    # MaxPool2D wrapper
    return tf.nn.max_pool(x, ksize=[1, k, k, 1], strides=[1, k, k, 1],
                          padding='SAME')

# 创建模型
def conv_net(x, weights, biases, dropout):

    x = tf.reshape(x, shape=[-1, 28, 28, 1])

    # Convolution Layer
    conv1 = conv2d(x, weights['wc1'], biases['bc1'])
    # Max Pooling (down-sampling)
    conv1 = maxpool2d(conv1, k=2)

    # Convolution Layer
    conv2 = conv2d(conv1, weights['wc2'], biases['bc2'])
    # Max Pooling (down-sampling)
    conv2 = maxpool2d(conv2, k=2)

    # Fully connected layer
    # Reshape conv2 output to fit fully connected layer input
    fc1 = tf.reshape(conv2, [-1, weights['wd1'].get_shape().as_list()[0]])
    fc1 = tf.add(tf.matmul(fc1, weights['wd1']), biases['bd1'])
    fc1 = tf.nn.relu(fc1)

    # Apply Dropout
    fc1 = tf.nn.dropout(fc1, dropout)

    # Output, class prediction
    out = tf.add(tf.matmul(fc1, weights['out']), biases['out'])
    return out

设置我们的权重和偏移，损失函数，梯度下降，初始化参数，初始化模型保存

# 设置权重和偏移
weights = {
    # 5x5 conv, 1 input, 32 outputs
    'wc1': tf.Variable(tf.random_normal([5, 5, 1, 32])),
    # 5x5 conv, 32 inputs, 64 outputs
    'wc2': tf.Variable(tf.random_normal([5, 5, 32, 64])),
    # fully connected, 7*7*64 inputs, 1024 outputs
    'wd1': tf.Variable(tf.random_normal([7*7*64, 1024])),
    # 1024 inputs, 10 outputs (class prediction)
    'out': tf.Variable(tf.random_normal([1024, num_classes]))
}

biases = {
    'bc1': tf.Variable(tf.random_normal([32])),
    'bc2': tf.Variable(tf.random_normal([64])),
    'bd1': tf.Variable(tf.random_normal([1024])),
    'out': tf.Variable(tf.random_normal([num_classes]))
}

# Construct model
logits = conv_net(X, weights, biases, keep_prob)
prediction = tf.nn.softmax(logits)
pred = tf.argmax(prediction, 1)
# Define loss and optimizer
loss_op = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(
    logits=logits, labels=Y))
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=learning_rate)
train_op = optimizer.minimize(loss_op)

# Evaluate model
correct_pred = tf.equal(pred, tf.argmax(Y, 1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))

init = tf.global_variables_initializer()
saver = tf.train.Saver(tf.trainable_variables())

声明我们的训练函数，保存模型

def train():
    sess.run(init)
    for step in range(1,num_steps+1):
        batch_x, batch_y = mnist.train.next_batch(batch_size)
        # Run optimization op (backprop)
        
        sess.run(train_op, feed_dict={X: batch_x, Y: batch_y, keep_prob: dropout})
        if step % display_step == 0 or step == 1:
            # Calculate batch loss and accuracy
            loss, acc = sess.run([loss_op, accuracy], feed_dict={X: batch_x,
                                                                 Y: batch_y,
                                                                 keep_prob: 1.0})
            print("Step " + str(step) + ", Minibatch Loss={:.4f}".format(loss) + ", Training Accuracy={:.3f}".format(acc))

    print(sess.run(accuracy, feed_dict={X: mnist.test.images[:500],
                                      Y: mnist.test.labels[:500],
                                      keep_prob: 1.0}))

    save_path = saver.save(sess,"../tmp/model.ckpt")
    print("save success in:"+save_path)

训练和识别一张图片

with tf.Session() as sess:
    train()
    # 训练完成之后就可以使用模型通过图片直接预测手写字母了
    # saver.restore(sess, "../tmp/model.ckpt")
    # arr1 = changeImage("data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAABwAAAAcCAYAAAByDd+UAAACvUlEQVRIS+1WPUiyURg9LhYhEUImStqgU2Au4WJE0GCp4NAQBZqQhSCUCSq52B85GDg4OjSUNCX2Q6M4uClESK4SIQT9OBQRQX48FxTD6r19RnzDd8FF7/uce84957yKarVaDb+4RP8Bf1rtf1vScrmM3d1d9PT0oFqtMvJisRhdXV3o7e3F7OysoCDcDMPhME5OTlAoFDA6OopsNsuG9/X1QaPR4O3tDYuLi3A4HF+CcgEeHBwgGo3i5eUFZrMZcrn8HcPX11ckEgkGnMlk2gfc3t7G9fU1JiYmYLFYWgbe3d1hfHwc3d3dDeafoQoyPD8/x8rKCrurqakpzM/Pt8wiqa1WK4aGhkD7v1qCgGQOl8uFi4sLPD8/Q6fTYW9vjxmnvshITqcTS0tLiMVi7QHWnyYWwWAQdF8ymQzHx8cNUJVKBa1WC6/X+6HkzScQZNi8mdiaTCbc3t6iv7+fRWRnZwdnZ2cYHh5GMpn8uVjUJxHoyMgIisUiJBIJHh8fGauNjQ3o9fqfByRTbG1tIZVKNXJ4enrKBUYPcEtKzNbW1ljOnp6eUKlUoFarWfaOjo4EmdU3cAHu7+/D4/Ews1CNUdOQQebm5vDw8IB4PA6j0cgFKghIQMTq8vISMzMzTM6BgQE2fHl5Gfl8nh1menq6fcD19XXmQrL8wsIC+zQvMsrh4SECgUD7gPRmINlKpRKoSz9yIEVEJBIhFAq1LymVNd0dlfXm5maLXHQgisfg4CA7UHPz/FW1UahXV1dZoNPpdMuMsbEx9p3BYEAkEuG6P8FYKBQKKJVK+Hy+d3dE7szlcujs7GQVVzcRD+qXLqUiJqb39/csa5RFu93O3hxUb/SbzWbjwWnsEYyF2+1uhL2jowNSqZSF3e/3c7fLt8ubmN7c3ODq6gqTk5Nc/10+oy3I8Ft6cWz+dcA/8zN3vADs60gAAAAASUVORK5CYII=")
    # print(sess.run(pred,feed_dict={X:arr1,keep_prob: 1.0}))
    # 如果训练成功，那么你输出的应该这张base64图片的数字[8]

上传一张结果图

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最后

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