学习笔记TF056:TensorFlow MNIST,数据集、分类、可视化

MNIST(Mixed National Institute of Standards and Technology)http://yann.lecun.com/exdb/mnist/ ,入门级计算机视觉数据集,美国中学生手写数字。训练集6万张图片,测试集1万张图片。数字经过预处理、格式化,大小调整并居中,图片尺寸固定28x28。数据集小,训练速度快,收敛效果好。

MNIST数据集,NIST数据集子集。4个文件。train-label-idx1-ubyte.gz 训练集标记文件(28881字节),train-images-idx3-ubyte.gz 训练集图片文件(9912422字节),t10k-labels-idx1-ubyte.gz,测试集标记文件(4542字节),t10k-images-idx3-ubyte.gz 测试集图片文件(1648877字节)。测试集,前5000个样例取自原始NIST训练集,后5000个取自原始NIST测试集。

训练集标记文件 train-labels-idx1-ubyt格式:offset、type、value、description。magic number(MSB first)、number of items、label。
MSB(most significant bit,最高有效位),二进制,MSB最高加权位。MSB位于二进制最左侧,MSB first 最高有效位在前。 magic number 写入ELF格式(Executable and Linkable Format)的ELF头文件常量,检查和自己设定是否一致判断文件是否损坏。

训练集图片文件 train-images-idx3-ubyte格式:magic number、number of images、number of rows、number of columns、pixel。
pixel(像素)取值范围0-255,0-255代表背景色(白色),255代表前景色(黑色)。

测试集标记文件 t10k-labels-idx1-ubyte 格式:magic number(MSB first)、number of items、label。

测试集图片文件 t10k-images-idx3-ubyte格式:magic number、number of images、number of rows、number of columns、pixel。

tensor flow-1.1.0/tensorflow/examples/tutorials/mnist。mnist_softmax.py 回归训练,full_connected_feed.py Feed数据方式训练,mnist_with_summaries.py 卷积神经网络(CNN) 训练过程可视化,mnist_softmax_xla.py XLA框架。

MNIST分类问题。

Softmax回归解决两种以上分类。Logistic回归模型在分类问题推广。tensorflow-1.1.0/tensorflow/examples/tutorials/mnist/mnist_softmax.py。

加载数据。导入input_data.py文件, tensorflow.contrib.learn.read_data_sets加载数据。FLAGS.data_dir MNIST路径,可自定义。one_hot标记,长度为n数组,只有一个元素是1.0,其他元素是0.0。输出层softmax,输出概率分布,要求输入标记概率分布形式,以更计算交叉熵。

构建回归模型。输入原始真实值(group truth),计算softmax函数拟合预测值,定义损失函数和优化器。用梯度下降算法以0.5学习率最小化交叉熵。tf.train.GradientDescentOptimizer。

训练模型。初始化创建变量,会话启动模型。模型循环训练1000次,每次循环随机抓取训练数据100个数据点,替换占位符。随机训练(stochastic training),SGD方法梯度下降,每次从训练数据随机抓取小部分数据梯度下降训练。BGD每次对所有训练数据计算。SGD学习数据集总体特征,加速训练过程。

评估模型。tf.argmax(y,1)返回模型对任一输入x预测标记值,tf.argmax(y_,1) 正确标记值。tf.equal检测预测值和真实值是否匹配,预测布尔值转化浮点数,取平均值。

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
import argparse
import sys
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import tensorflow as tf
FLAGS = None
def main(_):
  # Import data 加载数据
  mnist = input_data.read_data_sets(FLAGS.data_dir, one_hot=True)
  # Create the model 定义回归模型
  x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])
  W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))
  b = tf.Variable(tf.zeros([10]))
  y = tf.matmul(x, W) + b #预测值
  # Define loss and optimizer 定义损失函数和优化器
  y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10]) # 输入真实值占位符
  # tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits计算预测值y与真实值y_差值,取平均值
  cross_entropy = tf.reduce_mean(
      tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=y))
  # SGD优化器
  train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5).minimize(cross_entropy)
  # InteractiveSession()创建交互式上下文TensorFlow会话,交互式会话会成为默认会话,可以运行操作(OP)方法(tf.Tensor.eval、tf.Operation.run)
  sess = tf.InteractiveSession()
  tf.global_variables_initializer().run()
  # Train 训练模型
  for _ in range(1000):
    batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)
    sess.run(train_step, feed_dict={x: batch_xs, y_: batch_ys})
  # Test trained model 评估训练模型
  correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
  accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
  # 计算模型测试集准确率
  print(sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images,
                                      y_: mnist.test.labels}))
if __name__ == '__main__':
  parser = argparse.ArgumentParser()
  parser.add_argument('--data_dir', type=str, default='/tmp/tensorflow/mnist/input_data',
                      help='Directory for storing input data')
  FLAGS, unparsed = parser.parse_known_args()
  tf.app.run(main=main, argv=[sys.argv[0]] + unparsed)

训练过程可视化。tensorflow-1.1.0/tensorflow/examples/tutorials/mnist/mnist_summaries.py 。
TensorBoard可视化,训练过程,记录结构化数据,支行本地服务器,监听6006端口,浏览器请求页面,分析记录数据,绘制统计图表,展示计算图。
运行脚本:python mnist_with_summaries.py。
训练过程数据存储在/tmp/tensorflow/mnist目录,可命令行参数--log_dir指定。运行tree命令,ipnut_data # 存放训练数据,logs # 训练结果日志,train # 训练集结果日志。运行tensorboard命令,打开浏览器,查看训练可视化结果,logdir参数标明日志文件存储路径,命令 tensorboard --logdir=/tmp/tensorflow/mnist/logs/mnist_with_summaries 。创建摘要文件写入符(FileWriter)指定。

# sess.graph  图定义,图可视化
file_writer = tf.summary.FileWriter('/tmp/tensorflow/mnist/logs/mnist_with_summaries', sess.graph)

浏览器打开服务地址,进入可视化操作界面。

可视化实现。

给一个张量添加多个摘要描述函数variable_summaries。SCALARS面板显示每层均值、标准差、最大值、最小值。
构建网络模型,weights、biases调用variable_summaries,每层采用tf.summary.histogram绘制张量激活函数前后变化。HISTOGRAMS面板显示。
绘制准确率、交叉熵,SCALARS面板显示。

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
import argparse
import os
import sys
import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
FLAGS = None
def train():
  # Import data
  mnist = input_data.read_data_sets(FLAGS.data_dir,
                                    one_hot=True,
                                    fake_data=FLAGS.fake_data)
  sess = tf.InteractiveSession()
  # Create a multilayer model.
  # Input placeholders
  with tf.name_scope('input'):
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784], name='x-input')
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10], name='y-input')
  with tf.name_scope('input_reshape'):
    image_shaped_input = tf.reshape(x, [-1, 28, 28, 1])
    tf.summary.image('input', image_shaped_input, 10)
  # We can't initialize these variables to 0 - the network will get stuck.
  def weight_variable(shape):
    """Create a weight variable with appropriate initialization."""
    initial = tf.truncated_normal(shape, stddev=0.1)
    return tf.Variable(initial)
  def bias_variable(shape):
    """Create a bias variable with appropriate initialization."""
    initial = tf.constant(0.1, shape=shape)
    return tf.Variable(initial)
  def variable_summaries(var):
    """Attach a lot of summaries to a Tensor (for TensorBoard visualization)."""
    """对一个张量添加多个摘要描述"""
    with tf.name_scope('summaries'):
      mean = tf.reduce_mean(var)
      tf.summary.scalar('mean', mean) # 均值
      with tf.name_scope('stddev'):
        stddev = tf.sqrt(tf.reduce_mean(tf.square(var - mean)))
      tf.summary.scalar('stddev', stddev) # 标准差
      tf.summary.scalar('max', tf.reduce_max(var)) # 最大值
      tf.summary.scalar('min', tf.reduce_min(var)) # 最小值
      tf.summary.histogram('histogram', var)
  def nn_layer(input_tensor, input_dim, output_dim, layer_name, act=tf.nn.relu):
    # Adding a name scope ensures logical grouping of the layers in the graph.
    # 确保计算图中各层分组,每层添加name_scope
    with tf.name_scope(layer_name):
      # This Variable will hold the state of the weights for the layer
      with tf.name_scope('weights'):
        weights = weight_variable([input_dim, output_dim])
        variable_summaries(weights)
      with tf.name_scope('biases'):
        biases = bias_variable([output_dim])
        variable_summaries(biases)
      with tf.name_scope('Wx_plus_b'):
        preactivate = tf.matmul(input_tensor, weights) + biases
        tf.summary.histogram('pre_activations', preactivate) # 激活前直方图
      activations = act(preactivate, name='activation')
      tf.summary.histogram('activations', activations) # 激活后直方图
      return activations
  hidden1 = nn_layer(x, 784, 500, 'layer1')
  with tf.name_scope('dropout'):
    keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
    tf.summary.scalar('dropout_keep_probability', keep_prob)
    dropped = tf.nn.dropout(hidden1, keep_prob)
  # Do not apply softmax activation yet, see below.
  y = nn_layer(dropped, 500, 10, 'layer2', act=tf.identity)
  with tf.name_scope('cross_entropy'):
    diff = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_, logits=y)
    with tf.name_scope('total'):
      cross_entropy = tf.reduce_mean(diff)
  tf.summary.scalar('cross_entropy', cross_entropy) # 交叉熵
  with tf.name_scope('train'):
    train_step = tf.train.AdamOptimizer(FLAGS.learning_rate).minimize(
        cross_entropy)
  with tf.name_scope('accuracy'):
    with tf.name_scope('correct_prediction'):
      correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    with tf.name_scope('accuracy'):
      accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
  tf.summary.scalar('accuracy', accuracy) # 准确率
  # Merge all the summaries and write them out to
  # /tmp/tensorflow/mnist/logs/mnist_with_summaries (by default)
  merged = tf.summary.merge_all()
  train_writer = tf.summary.FileWriter(FLAGS.log_dir + '/train', sess.graph)
  test_writer = tf.summary.FileWriter(FLAGS.log_dir + '/test')
  tf.global_variables_initializer().run()
  def feed_dict(train):
    """Make a TensorFlow feed_dict: maps data onto Tensor placeholders."""
    if train or FLAGS.fake_data:
      xs, ys = mnist.train.next_batch(100, fake_data=FLAGS.fake_data)
      k = FLAGS.dropout
    else:
      xs, ys = mnist.test.images, mnist.test.labels
      k = 1.0
    return {x: xs, y_: ys, keep_prob: k}
  for i in range(FLAGS.max_steps):
    if i % 10 == 0:  # Record summaries and test-set accuracy
      summary, acc = sess.run([merged, accuracy], feed_dict=feed_dict(False))
      test_writer.add_summary(summary, i)
      print('Accuracy at step %s: %s' % (i, acc))
    else:  # Record train set summaries, and train
      if i % 100 == 99:  # Record execution stats
        run_options = tf.RunOptions(trace_level=tf.RunOptions.FULL_TRACE)
        run_metadata = tf.RunMetadata()
        summary, _ = sess.run([merged, train_step],
                              feed_dict=feed_dict(True),
                              options=run_options,
                              run_metadata=run_metadata)
        train_writer.add_run_metadata(run_metadata, 'step%03d' % i)
        train_writer.add_summary(summary, i)
        print('Adding run metadata for', i)
      else:  # Record a summary
        summary, _ = sess.run([merged, train_step], feed_dict=feed_dict(True))
        train_writer.add_summary(summary, i)
  train_writer.close()
  test_writer.close()
def main(_):
  if tf.gfile.Exists(FLAGS.log_dir):
    tf.gfile.DeleteRecursively(FLAGS.log_dir)
  tf.gfile.MakeDirs(FLAGS.log_dir)
  train()
if __name__ == '__main__':
  parser = argparse.ArgumentParser()
  parser.add_argument('--fake_data', nargs='?', const=True, type=bool,
                      default=False,
                      help='If true, uses fake data for unit testing.')
  parser.add_argument('--max_steps', type=int, default=1000,
                      help='Number of steps to run trainer.')
  parser.add_argument('--learning_rate', type=float, default=0.001,
                      help='Initial learning rate')
  parser.add_argument('--dropout', type=float, default=0.9,
                      help='Keep probability for training dropout.')
  parser.add_argument(
      '--data_dir',
      type=str,
      default=os.path.join(os.getenv('TEST_TMPDIR', '/tmp'),
                           'tensorflow/mnist/input_data'),
      help='Directory for storing input data')
  parser.add_argument(
      '--log_dir',
      type=str,
      default=os.path.join(os.getenv('TEST_TMPDIR', '/tmp'),
                           'tensorflow/mnist/logs/mnist_with_summaries'),
      help='Summaries log directory')
  FLAGS, unparsed = parser.parse_known_args()
  tf.app.run(main=main, argv=[sys.argv[0]] + unparsed)

参考资料:
《TensorFlow技术解析与实战》

欢迎推荐上海机器学习工作机会,我的微信:qingxingfengzi

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 214,717评论 6 496
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 91,501评论 3 389
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 160,311评论 0 350
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 57,417评论 1 288
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 66,500评论 6 386
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 50,538评论 1 293
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 39,557评论 3 414
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 38,310评论 0 270
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,759评论 1 307
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 37,065评论 2 330
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 39,233评论 1 343
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 34,909评论 5 338
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 40,548评论 3 322
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 31,172评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,420评论 1 268
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 47,103评论 2 365
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 44,098评论 2 352

推荐阅读更多精彩内容

  • 一.目的 类似学习开发语言的第一个代码,Hello World! 机器学习中,我们通过MNIST来学习手写输入法的...
    Coming0524阅读 6,484评论 2 8
  • tensorflow中文社区对官方文档进行了完整翻译。鉴于官方更新不少内容,而现有的翻译基本上都已过时。故本人对更...
    周乘阅读 2,698评论 0 14
  • 与武侠结缘 小时候,每次做完作业,就会搬上小凳子做在电视机前,看两集的《天龙八部》,总会觉得寺庙会有武林秘籍,江湖...
    易之狐阅读 340评论 0 0
  • 马进 YS17036 【连续4天打卡】 Seg1:今日完成情况 1、信念,3遍,100%完成; 2、绕口令,3遍,...
    多比1126阅读 153评论 6 2
  • 雖然習慣和模式讓生活工作時不時被【三根線】障礙住,可是,總想著哪裡可以有點新鮮感,生活是,工作也是。 沙龍主持人小...
    粟莎阅读 321评论 0 0