CNN模型改进 改进的cnn算法

tf框架的范围管理scope技术来优化参数设定，最终准确率为0.984

这里主要引入较多参数来改进原有的cnn模型：

• 使用激活函数去线性化
• 使用隐藏层即加深层数以解决复杂问题
• 使用学习率调整更新参数的频度
• 使用滑动平均模型来调整模型结果

# 导入必要的库
import tensorflow as tf
import os
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
 
# 下载数据，打印数据信息
mnist = input_data.read_data_sets('/MNIST_data/', one_hot=True)
print("Training data size: ", mnist.train.num_examples)
print("Validating data size: ", mnist.validation.num_examples)
print("Testing data size: ", mnist.test.num_examples)
print("Example training data: ", mnist.train.images[0] )
print("Example training data label: ", mnist.train.labels[0])
 
# 声明全局变量
INPUT_NODE = 784  # 输入层节点数，图片是28*28*1的格式，每个像素点对应一个节点就是784
OUTPUT_NODE = 10  # 输出层节点数，0-9十个数字
 
LAYER1_NODE = 500  # 第一个隐藏层的节点数
 
BATCH_SIZE = 100  # batch的大小，越大训练过程越接近梯度下降，越小越接近随机梯度下降
 
LEARNING_RATE_BASE = 0.8  # 基础的学习率
LEARNING_RATE_DECAY = 0.99  # 学习率的衰减值
 
REGULARIZATION_RATE = 0.0001  # 正则化的λ系数
TRAINING_STEPS = 30000  # 训练的轮数
MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99  # 滑动平均衰减率
 
def get_weight_variable(shape, regualrizer):
    # get_variable()获取这个参数的现有变量或创建一个新变量。获取的参数根据"name"指定
    # 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。
    # stddev 要生成的随机值的标准偏差
    weights = tf.get_variable("weights", shape, 
                              initializer=tf.random_normal_initializer(stddev=0.1))
    if regualrizer != None:
        # 传入的参数regualrizer是一个函数
        # 如果定义了正则化函数（L1或者L2），则计算weights的正则化参数，并加入
        # 名为“losses”的集合
        tf.add_to_collection("losses", regualrizer(weights))
    return weights
 
 
def inference(x, regularizer):
    """
    辅助函数，给定神经网络的输入和所有参数，计算向前传播的结果
    定义了一个relu激活的三层全连接网络(输入层，隐藏层，输出层)
    """
    # variable_scope()用于定义创建变量（层）的操作的上下文管理器。此上下文管理器验证（可选）的
    # values来自同一图形，确保图形是默认图形，并推送名称范围和变量范围
    with tf.variable_scope('layer1', reuse = False):
        weights = get_weight_variable([INPUT_NODE, LAYER1_NODE], regularizer)
        biases = tf.get_variable("biases", [LAYER1_NODE], 
                                 initializer=tf.constant_initializer(0.0))
        layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(x, weights) + biases)
 
    with tf.variable_scope('layer2', reuse = False):
        weights = get_weight_variable([LAYER1_NODE, OUTPUT_NODE], regularizer)
        biases = tf.get_variable("biases", [OUTPUT_NODE], 
                                 initializer=tf.constant_initializer(0.0))
        layer2 = tf.matmul(layer1, weights) + biases
 
    return layer2
 
 
def train(mnist):
    """训练模型"""
    x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, INPUT_NODE], name="x-input")
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, OUTPUT_NODE], name="y-input")
 
    # 定义正则化的函数
    regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(REGULARIZATION_RATE)
    # 向前传播求出y
    y = inference(x, regularizer)
    # 定义训练的轮数，需要用trainable=False参数指定不训练这个变量，
    # 这样同时也可以避免这个变量被计算滑动平均值
    global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
 
    # 给定滑动平均衰减速率和训练轮数，初始化滑动平均类
    variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY,
                                                          global_step)
    # 用tf.trainable_variable()获取所有可以训练的变量列表，全部使用滑动平均
    variables_averages_op = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
 
    # 定义损失函数
    # 因为标准答案是一个长度为10的一维数组，argmax可以从这个矩阵（y_）的轴为1的部分取最大值的序号
    # 在sparse_softmax_cross_entropy_with_logits()中，要将原来为one-hot形式的labels
    # 转换为数字标签[1],[2],...的格式。
    # tf.argmax(Y,asix)，axis = 0 或 1，分别表示按列或按行返回最大值的序号。
    cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y,
                                                                   labels=tf.argmax(y_, 1))
    # 获取总损失平均值
    cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)
 
    # 给损失加上正则化的损失
    # 使用get_collection获取losses集合的全部值的列表，然后用add_n求列表的所有值的和
    loss = cross_entropy_mean + tf.add_n(tf.get_collection("losses"))
 
    # 求加上指数衰减的学习率
    learning_rate = tf.train.exponential_decay(
        LEARNING_RATE_BASE,
        global_step,
        mnist.train.num_examples / BATCH_SIZE,
        LEARNING_RATE_DECAY,
        staircase = True
    )
 
    # 优化损失函数
    # global_step初始值为0，在loss更新后会+1，用来记录更新的次数
    # 返回值是训练之后的梯度，会随着global_step递增
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(
        learning_rate).minimize(loss, global_step=global_step)
 
    # 反向传播更新参数之后需要更新每一个参数的滑动平均值，用下面的代码可以一次完成这两个操作
    # train_step计算所有参数的梯度，variables_averages_op对所有参数进行滑动平均（利用train_step）
    with tf.control_dependencies([train_step, variables_averages_op]):
        train_op = tf.no_op(name="train")
 
    # y是计算得出的预测答案，而y_是正确答案，用argmax获取答案的序号（也即是数字的值）
    # equal()判断两个答案是否相等，是就返回True，否就返回False
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    # cast()把一个布尔类型的数转换为实数，然后用reduce_mean计算平均值，获取准确率
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
 
    with tf.Session() as sess:
        # 初始化全局变量
        tf.global_variables_initializer().run()
        
        validate_feed = {x: mnist.validation.images, y_: mnist.validation.labels}
        test_feed = {x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels}
        # 开始迭代
        for i in range(TRAINING_STEPS):
            xs, ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)
            sess.run(train_op, feed_dict={x:xs, y_:ys})
 
            # tensorflow的数据集特有的一种batch_size获取方法
            if i % 1000 == 0:
                # 获取计算之后的loss和global_step
                validate_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=validate_feed)
                print("After %d traing times, validate accuracy using average model is %g"
                     % (i, validate_acc)) 
 
        # 使用模型训练测试集，获取最终的准确率
        test_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=test_feed)
        print("After %d traing times, test accuracy using average model is %g" 
              % (TRAINING_STEPS, test_acc))
 
# 主函数定义
 
def main(argv=None):
    tf.reset_default_graph()
    mnist = input_data.read_data_sets('/MNIST_data/', one_hot=True)
    train(mnist)
 
 
if __name__ == "__main__":
    main()