【最新TensorFlow1.4.0教程03】利用Eager Execution构建和训练卷积神经网络(CNN)

2017 年 11 月 5 日 专知 Hujun/Sanglei

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01：动态图机制Eager Execution
02：利用Eager Execution自定义操作和梯度（可在GPU上运行）
03 : 利用Eager Execution构建和训练卷积神经网络(CNN)

教程中的代码可以在专知的Github中找到：https://github.com/ZhuanZhiCode/TensorFlow-Eager-Execution-Examples

卷积神经网络简介

卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN), 最早应用在图像处理领域。从最早的mnist手写体数字识别，到ImageNet大规模图像分类比赛，再到炙手可热的自动驾驶技术，CNN在其中都起到了举足轻重的作用。

最近CNN也被成功的应用到自然语言处理领域(Natural Language Processing),并取得了引人注目的成果。我将在本文中归纳什么是CNN，并以一个简单的文本分类的例子介绍怎样将CNN应用于NLP。CNN背后的直觉知识在计算机视觉的用例里更容易被理解，因此我就先从那里开始，然后慢慢过渡到自然语言处理。

什么是卷积运算

卷积神经网络与之前讲到的常规的神经网络非常相似：它们都是由神经元组成，神经元中有具有学习能力的权重和偏差。每个神经元都得到一些输入数据，进行内积运算后再进行激活函数运算。

那么有哪些地方变化了呢？卷积神经网络的结构基于一个假设，即输入数据是二维的图像，基于该假设，我们就向结构中添加了一些特有的性质。这些特有属性使得前向传播函数实现起来更高效，并且大幅度降低了网络中参数的数量。

上图是常规的全连接网络，我们可以看到这里的输入层就是一维向量，后续的处理方式使用简单的全连接层就可以了。而卷积网络的输入要求是二维向量，这就需要向网络结构中加入一些新的特性来处理，也就是卷积操作

图中绿色为一个二值图像，每个值代表一个像素（0是黑，1是白）。（更典型的是像素值为0-255的灰阶图像）
图中黄色的滑动窗口叫卷积核、过滤器或者特征检测器，也是一个矩阵。
将这个大小是3x3的过滤器中的每个元素（红色小字）与图像中对应位置的值相乘，然后对它们求和，得到右边粉红色特征图矩阵的第一个元素值。

在整个图像矩阵上滑动这个过滤器来得到完整的卷积特征图如下：

什么是卷积神经网络？

知道了卷积运算了吧。那CNN又是什么呢？CNN本质上就是多层卷积运算，外加对每层的输出用非线性激活函数做转换，比如用ReLU和tanh。

常规的神经网络把每个输入神经元与下一层的输出神经元相连接。这种方式也被称作是全连接层。
在CNN中我们不这样做，而是用输入层的卷积结果来计算输出，也就是上图中的（Convolved Feature）。
这相当于是局部连接，每块局部的输入区域与输出的一个神经元相连接。对每一层应用不同的滤波器，往往是如上图所示成百上千个，然后汇总它们的结果。
这里也涉及到池化层（降采样），我会在后文做解释。
在训练阶段，CNN基于你想完成的任务自动学习卷积核的权重值。
举个例子，在图像分类问题中，第一层CNN模型或许能学会从原始像素点检测到一些边缘线条，然后根据边缘线条在第二层检测出一些简单的形状，然后基于这些形状检测出更高级的特征，比如脸部轮廓等。最后一层是利用这些高级特征的一个分类器。

为什么要用卷积神经网络？

图像处理中，往往会将图像看成是一个或者多个二维向量，传统的神经网络采用全联接的方式，即输入层到隐藏层的神经元都是全部连接的，这样做将导致参数量巨大，使得网络训练耗时甚至难以训练，而CNN则通过局部链接、权值共享等方法避免这一困难。

局部连接

对于一个1000 ×1000的输入图像而言，如果下一个隐藏层的神经元数目为10^6个，采用全连接则有1000× 1000 × 10^6 =10^12个权值参数，如此数目巨大的参数几乎难以训练；而采用局部连接，假如局部感受野是10x 10，隐藏层的每个神经元仅与图像中10 × 10的局部图像相连接，那么此时的权值参数数量为10 × 10 × 10^6 = 10^8，将直接减少4个数量级。

权值共享

隐含层每个神经元都连接10 ＊ 10个图像区域，也就是说每一个神经元存在100个连接权值参数。如果我们每个神经元这100个参数相同呢？将这10×10个权值参数共享给剩下的神经元，也就是说隐藏层中10^6个神经元的权值参数相同，那么此时不管隐藏层神经元的数目是多少，需要训练的参数就是这10 × 10个权值参数（也就是卷积核(也称滤波器)的大小）

这大概就是CNN的一个神奇之处，尽管只有这么少的参数，依旧有出色的性能。但是，这样仅提取了图像的一种特征，如果要多提取出一些特征，可以增加多个卷积核，不同的卷积核能够得到图像的不同映射下的特征，称之为Feature Map。如果有100个卷积核，最终的权值参数也仅为100 × 100 =10^4个而已。另外，偏置参数也是共享的，同一种滤波器共享一个。

利用Eager Execution构建和训练卷积神经网络(CNN)

本教程将示范如何使用Eager Execution训练LeNet来分类MNIST数据集中的手写数字图片。

MNIST数据集

MNIST由手写数字图片组成，包含0-9十种数字，常被用作测试机器学习算法性能的基准数据集。MNIST包含了一个有60000张图片的训练集和一个有10000张图片的测试集。深度学习在MNIST上可以达到99.7%的准确率。TensorFlow中直接集成了MNIST数据集，无需自己单独下载。

LeNet

LeNet是一种设计好拓扑的卷积神经网络，大致网络结构如下所示（图中一些具体参数，如卷积核数量，与LeNet有一些差别）：

源码

#coding=utf-8
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import tensorflow as tf
import tensorflow.contrib.eager as tfe
import numpy as np
tfe.enable_eager_execution()

# 使用TensorFlow自带的MNIST数据集，第一次会自动下载，会花费一定时间
mnist = input_data.read_data_sets("/data/mnist", one_hot=True)

flat_size = 3136
num_class = 10
dim_hidden = 1024

# 展示信息的间隔
verbose_interval = 100

# 定义各种层
layer_cnn0 = tf.layers.Conv2D(32, 5, activation = tf.nn.relu) # 卷积层0
layer_pool0 = tf.layers.MaxPooling2D(2, 2) # pooling层0
layer_cnn1 = tf.layers.Conv2D(64, 5, activation = tf.nn.relu) # 卷积层1
layer_pool1 = tf.layers.MaxPooling2D(2, 2) # pooling层1
layer_flatten = tf.layers.Flatten() # 将pooling层1的结果flatten
layer_fc0 = tf.layers.Dense(dim_hidden, activation = tf.nn.relu) # 全连接层0
layer_dropout = tf.layers.Dropout(0.75) # DropOut层
layer_fc1 = tf.layers.Dense(num_class, activation = None) # 全连接层1


def loss(step, x, y):
    inputs = tf.constant(x, name = "inputs")
    # 调用各种层进行前向传播
    cnn0 = layer_cnn0(inputs)
    pool0 = layer_pool0(cnn0)
    cnn1 = layer_cnn1(pool0)
    pool1 = layer_pool1(cnn1)
    flatten = layer_flatten(pool1)
    fc0 = layer_fc0(flatten)
    dropout = layer_dropout(fc0)
    logits = layer_fc1(dropout)

    # 进行softmax，并使用cross entropy计算损失
    loss = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels = y, logits = logits)
    loss = tf.reduce_mean(loss)

    # 每隔verbose_interval步显示一下损失和准确率
    if step % verbose_interval == 0:
        # 计算准确率
        predict = tf.argmax(logits, 1).numpy()
        target = np.argmax(y, 1)
        accuracy = np.sum(predict == target)/len(target)

        print("step {}:\tloss = {}\taccuracy = {}".format(step, loss.numpy(), accuracy))

    return loss

optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate = 1e-3)
batch_size = 128
# 训练1000步
for step in range(1000):
    batch_data, batch_label = mnist.train.next_batch(batch_size)
    # 原始batch_data的shape为[batch_size, 784]，需要将其转换为[batch_size, height, weight, channel]
    batch_data = batch_data.reshape([-1,28,28,1])
    optimizer.minimize(lambda: loss(step, batch_data, batch_label))

运行结果：

step 0: loss = 2.302757740020752   accuracy = 0.1640625
step 100:  loss = 0.17742319405078888 accuracy = 0.9609375
step 200:  loss = 0.056245774030685425    accuracy = 0.9921875
step 300:  loss = 0.11313237249851227 accuracy = 0.9609375
step 400:  loss = 0.016188189387321472    accuracy = 1.0
step 500:  loss = 0.026423435658216476    accuracy = 0.984375
step 600:  loss = 0.08073948323726654 accuracy = 0.984375
step 700:  loss = 0.0532052144408226  accuracy = 0.984375
step 800:  loss = 0.06941711902618408 accuracy = 0.9765625
step 900:  loss = 0.009956443682312965    accuracy = 0.9921875