tensorflow筆記:流程,概念和簡單程式碼註釋

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tensorflow是google在2015年開源的深度學習框架,可以很方便的檢驗演算法效果。這兩天看了看官方的tutorial,極客學院的文件,以及綜合tensorflow的原始碼,把自己的心得整理了一下,作為自己的備忘錄。

tensorflow筆記系列:
(一) tensorflow筆記:流程,概念和簡單程式碼註釋
(二) tensorflow筆記:多層CNN程式碼分析
(三) tensorflow筆記:多層LSTM程式碼分析
(四) tensorflow筆記:常用函式說明
(五) tensorflow筆記:模型的儲存與訓練過程視覺化
(六)tensorflow筆記:使用tf來實現word2vec


1.tensorflow的執行流程

tensorflow的執行流程主要有2步,分別是構造模型訓練

在構造模型階段,我們需要構建一個圖(Graph)來描述我們的模型。所謂圖,也可以理解為流程圖,就是將資料的輸入->中間處理->輸出的過程表示出來,就像下面這樣。

20160601101108139.png-26.2kB

注意此時是不會發生實際運算的。而在模型構建完畢以後,會進入訓練步驟。此時才會有實際的資料輸入,梯度計算等操作。那麼,如何構建抽象的模型呢?這裡就要提到tensorflow中的幾個概念:Tensor,Variable,placeholder,而在訓練階段,則需要介紹Session。下面先解釋一些上面的幾個概念

1.1概念描述


1.1.1 Tensor

Tensor的意思是張量,不過按我的理解,其實就是指矩陣。也可以理解為tensorflow中矩陣的表示形式。Tensor的生成方式有很多種,最簡單的就如

import tensorflow as tf # 在下面所有程式碼中,都去掉了這一行,預設已經匯入
a = tf.zeros(shape=[1,2])

不過要注意,因為在訓練開始前,所有的資料都是抽象的概念,也就是說,此時a只是表示這應該是個1*5的零矩陣,而沒有實際賦值,也沒有分配空間,所以如果此時print,就會出現如下情況:

print(a)
#===>Tensor("zeros:0", shape=(1, 2), dtype=float32)

只有在訓練過程開始後,才能獲得a的實際值

sess = tf.InteractiveSession()
print(sess.run(a))
#===>[[ 0.  0.]]

這邊設計到Session概念,後面會提到


1.1.2 Variable

故名思議,是變數的意思。一般用來表示圖中的各計算引數,包括矩陣,向量等。例如,我要表示上圖中的模型,那表示式就是

y=Relu(Wx b)

y=Relu(Wx b)
(relu是一種啟用函式,具體可見這裡)這裡WW和bb是我要用來訓練的引數,那麼此時這兩個值就可以用Variable來表示。Variable的初始函式有很多其他選項,這裡先不提,只輸入一個Tensor也是可以的

W = tf.Variable(tf.zeros(shape=[1,2]))

注意,此時W一樣是一個抽象的概念,而且與Tensor不同,Variable必須初始化以後才有具體的值

tensor = tf.zeros(shape=[1,2])
variable = tf.Variable(tensor)
sess = tf.InteractiveSession()
# print(sess.run(variable))  # 會報錯
sess.run(tf.initialize_all_variables()) # 對variable進行初始化
print(sess.run(variable))
#===>[[ 0.  0.]]

1.1.3 placeholder

又叫佔位符,同樣是一個抽象的概念。用於表示輸入輸出資料的格式。告訴系統:這裡有一個值/向量/矩陣,現在我沒法給你具體數值,不過我正式執行的時候會補上的!例如上式中的x和y。因為沒有具體數值,所以只要指定尺寸即可

x = tf.placeholder(tf.float32,[1, 5],name='input')
y = tf.placeholder(tf.float32,[None, 5],name='input')

上面有兩種形式,第一種x,表示輸入是一個[1,5]的橫向量。
而第二種形式,表示輸入是一個[?,5]的矩陣。那麼什麼情況下會這麼用呢?就是需要輸入一批[1,5]的資料的時候。比如我有一批共10個資料,那我可以表示成[10,5]的矩陣。如果是一批5個,那就是[5,5]的矩陣。tensorflow會自動進行批處理


1.1.4 Session

session,也就是會話。我的理解是,session是抽象模型的實現者。為什麼之前的程式碼多處要用到session?因為模型是抽象的嘛,只有實現了模型以後,才能夠得到具體的值。同樣,具體的引數訓練,預測,甚至變數的實際值查詢,都要用到session,看後面就知道了


1.2 模型構建

這裡我們使用官方tutorial中的mnist資料集的分類程式碼,公式可以寫作

z=Wx ba=softmax(z)

\begin{align}
&z=Wx b\\
&a=softmax(z)
\end{align}

那麼該模型的程式碼描述為

# 建立抽象模型
x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784]) # 輸入佔位符
y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])  # 輸出佔位符(預期輸出)
W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))        
b = tf.Variable(tf.zeros([10]))
a = tf.nn.softmax(tf.matmul(x, W)   b)      # a表示模型的實際輸出
# 定義損失函式和訓練方法
cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y * tf.log(a), reduction_indices=[1])) # 損失函式為交叉熵
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5) # 梯度下降法,學習速率為0.5
train = optimizer.minimize(cross_entropy)  # 訓練目標:最小化損失函式

可以看到這樣以來,模型中的所有元素(圖結構,損失函式,下降方法和訓練目標)都已經包括在train裡面。我們可以把train叫做訓練模型。那麼我們還需要測試模型

correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(a, 1), tf.argmax(y, 1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

上述兩行程式碼,tf.argmax表示找到最大值的位置(也就是預測的分類和實際的分類),然後看看他們是否一致,是就返回true,不是就返回false,這樣得到一個boolean陣列。tf.cast將boolean陣列轉成int陣列,最後求平均值,得到分類的準確率(怎麼樣,是不是很巧妙)


1.3 實際訓練

有了訓練模型和測試模型以後,我們就可以開始進行實際的訓練了

sess = tf.InteractiveSession()      # 建立互動式會話
tf.initialize_all_variables().run() # 所有變數初始化
for i in range(1000):
batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)    # 獲得一批100個資料
train.run({x: batch_xs, y: batch_ys})   # 給訓練模型提供輸入和輸出
print(sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.test.images,y:mnist.test.labels}))

可以看到,在模型搭建完以後,我們只要為模型提供輸入和輸出,模型就能夠自己進行訓練和測試了。中間的求導,求梯度,反向傳播等等繁雜的事情,tensorflow都會幫你自動完成。


2. 實際程式碼

實際操作中,還包括了獲取資料的程式碼

"""A very simple MNIST classifier.
See extensive documentation at
http://tensorflow.org/tutorials/mnist/beginners/index.md
"""
from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
# Import data
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import tensorflow as tf
flags = tf.app.flags
FLAGS = flags.FLAGS
flags.DEFINE_string('data_dir', '/tmp/data/', 'Directory for storing data') # 把資料放在/tmp/data資料夾中
mnist = input_data.read_data_sets(FLAGS.data_dir, one_hot=True)   # 讀取資料集
# 建立抽象模型
x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784]) # 佔位符
y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])
W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))
b = tf.Variable(tf.zeros([10]))
a = tf.nn.softmax(tf.matmul(x, W)   b)
# 定義損失函式和訓練方法
cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y * tf.log(a), reduction_indices=[1]))  # 損失函式為交叉熵
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5) # 梯度下降法,學習速率為0.5
train = optimizer.minimize(cross_entropy) # 訓練目標:最小化損失函式
# Test trained model
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(a, 1), tf.argmax(y, 1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
# Train
sess = tf.InteractiveSession()      # 建立互動式會話
tf.initialize_all_variables().run()
for i in range(1000):
batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)
train.run({x: batch_xs, y: batch_ys})
print(sess.run(accuracy,feed_dict={x:mnist.test.images,y:mnist.test.labels}))

得到的分類準確率在91%左右