摘要：?Tensorflow入門教程1

去年買了幾本講tensorflow的書，結果今年看的時候發現有些樣例代碼所用的API已經過時了?？磥碜约壕S護一個保持更新的Tensorflow的教程還是有意義的。這是寫這一系列的初心。

快餐教程系列希望能夠盡可能降低門檻，少講，講透。

為了讓大家在一開始就看到一個美好的場景，而不是停留在漫長的基礎知識積累上，參考網上的一些教程，我們直接一開始就直接展示用tensorflow實現MNIST手寫識別的例子。然后基礎知識我們再慢慢講。

Tensorflow安裝速成教程

由于Python是跨平臺的語言，所以在各系統上安裝tensorflow都是一件相對比較容易的事情。GPU加速的事情我們后面再說。

Linux平臺安裝tensorflow

我們以Ubuntu 16.04版為例，首先安裝python3和pip3。pip是python的包管理工具。

sudo apt install python3 sudo apt install python3-pip

然后就可以通過pip3來安裝tensorflow:

pip3 install tensorflow --upgrade

MacOS安裝tensorflow

建議使用Homebrew來安裝python。

brew install python3

安裝python3之后，還是通過pip3來安裝tensorflow.

pip3 install tensorflow --upgrade

Windows平臺安裝Tensorflow

Windows平臺上建議通過Anaconda來安裝tensorflow，下載地址在：https://www.anaconda.com/download/#windows

然后打開Anaconda Prompt，輸入：

conda create -n tensorflow pip activate tensorflow pip install --ignore-installed --upgrade tensorflow

這樣就安裝好了Tensorflow。

我們迅速來個例子試下好不好用：

import tensorflow as tf a = tf.constant(1) b = tf.constant(2)c = a * bsess = tf.Session()print(sess.run(c))

輸出結果為2.?
Tensorflow顧名思義，是一些Tensor張量的流組成的運算。
運算需要一個Session來運行。如果print(c)的話，會得到

Tensor("mul_1:0", shape=(), dtype=int32)

就是說這是一個乘法運算的Tensor，需要通過Session.run()來執行。

入門捷徑：線性回歸

我們首先看一個最簡單的機器學習模型，線性回歸的例子。
線性回歸的模型就是一個矩陣乘法：

tf.multiply(X, w)

然后我們通過調用Tensorflow計算梯度下降的函數tf.train.GradientDescentOptimizer來實現優化。
我們看下這個例子代碼，只有30多行，邏輯還是很清晰的。例子來自github上大牛的工作：https://github.com/nlintz/TensorFlow-Tutorials，不是我的原創。

import tensorflow as tf import numpy as nptrX = np.linspace(-1, 1, 101) trY = 2 * trX + np.random.randn(*trX.shape) * 0.33 # 創建一些線性值附近的隨機值X = tf.placeholder("float") Y = tf.placeholder("float")def model(X, w):return tf.multiply(X, w) # X*w線性求值，非常簡單w = tf.Variable(0.0, name="weights") y_model = model(X, w)cost = tf.square(Y - y_model) # 用平方誤差做為優化目標train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01).minimize(cost) # 梯度下降優化# 開始創建Session干活！ with tf.Session() as sess:# 首先需要初始化全局變量，這是Tensorflow的要求tf.global_variables_initializer().run()for i in range(100):for (x, y) in zip(trX, trY):sess.run(train_op, feed_dict={X: x, Y: y})print(sess.run(w))

最終會得到一個接近2的值，比如我這次運行的值為1.9183811

多種方式搞定手寫識別

線性回歸不過癮，我們直接一步到位，開始進行手寫識別。

我們采用深度學習三巨頭之一的Yann Lecun教授的MNIST數據為例。如上圖所示，MNIST的數據是28x28的圖像，并且標記了它的值應該是什么。

線性模型：logistic回歸

我們首先不管三七二十一，就用線性模型來做分類。
算上注釋和空行，一共加起來30行左右，我們就可以解決手寫識別這么困難的問題啦！請看代碼：

import tensorflow as tf import numpy as np from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_datadef init_weights(shape):return tf.Variable(tf.random_normal(shape, stddev=0.01))def model(X, w):return tf.matmul(X, w) # 模型還是矩陣乘法mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True) trX, trY, teX, teY = mnist.train.images, mnist.train.labels, mnist.test.images, mnist.test.labelsX = tf.placeholder("float", [None, 784]) Y = tf.placeholder("float", [None, 10])w = init_weights([784, 10]) py_x = model(X, w)cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=py_x, labels=Y)) # 計算誤差 train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.05).minimize(cost) # construct optimizer predict_op = tf.argmax(py_x, 1) with tf.Session() as sess:tf.global_variables_initializer().run()for i in range(100):for start, end in zip(range(0, len(trX), 128), range(128, len(trX)+1, 128)):sess.run(train_op, feed_dict={X: trX[start:end], Y: trY[start:end]})print(i, np.mean(np.argmax(teY, axis=1) ==sess.run(predict_op, feed_dict={X: teX})))

經過100輪的訓練，我們的準確率是92.36%。

無腦的淺層神經網絡

用了最簡單的線性模型，我們換成經典的神經網絡來實現這個功能。神經網絡的圖如下圖所示。

我們還是不管三七二十一，建立一個隱藏層，用最傳統的sigmoid函數做激活函數。其核心邏輯還是矩陣乘法，這里面沒有任何技巧。

h = tf.nn.sigmoid(tf.matmul(X, w_h)) return tf.matmul(h, w_o)

完整代碼如下，仍然是40多行，不長：

import tensorflow as tf import numpy as np from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data# 所有連接隨機生成權值 def init_weights(shape):return tf.Variable(tf.random_normal(shape, stddev=0.01))def model(X, w_h, w_o):h = tf.nn.sigmoid(tf.matmul(X, w_h)) return tf.matmul(h, w_o) mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True) trX, trY, teX, teY = mnist.train.images, mnist.train.labels, mnist.test.images, mnist.test.labelsX = tf.placeholder("float", [None, 784]) Y = tf.placeholder("float", [None, 10])w_h = init_weights([784, 625]) w_o = init_weights([625, 10])py_x = model(X, w_h, w_o)cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=py_x, labels=Y)) # 計算誤差損失 train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.05).minimize(cost) # construct an optimizer predict_op = tf.argmax(py_x, 1)with tf.Session() as sess:tf.global_variables_initializer().run()for i in range(100):for start, end in zip(range(0, len(trX), 128), range(128, len(trX)+1, 128)):sess.run(train_op, feed_dict={X: trX[start:end], Y: trY[start:end]})print(i, np.mean(np.argmax(teY, axis=1) ==sess.run(predict_op, feed_dict={X: teX})))

第一輪運行，我這次的準確率只有69.11%?，第二次就提升到了82.29%。最終結果是95.41%，比Logistic回歸的強！
請注意我們模型的核心那兩行代碼，完全就是無腦地全連接做了一個隱藏層而己，這其中沒有任何的技術。完全是靠神經網絡的模型能力。

深度學習時代的方案 - ReLU和Dropout顯神通

上一個技術含量有點低，現在是深度學習的時代了，我們有很多進步。比如我們知道要將sigmoid函數換成ReLU函數。我們還知道要做Dropout了。于是我們還是一個隱藏層，寫個更現代一點的模型吧：

X = tf.nn.dropout(X, p_keep_input)h = tf.nn.relu(tf.matmul(X, w_h))h = tf.nn.dropout(h, p_keep_hidden)h2 = tf.nn.relu(tf.matmul(h, w_h2))h2 = tf.nn.dropout(h2, p_keep_hidden)return tf.matmul(h2, w_o)

除了ReLU和dropout這兩個技巧，我們仍然只有一個隱藏層，表達能力沒有太大的增強。并不能算是深度學習。

import tensorflow as tf import numpy as np from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_datadef init_weights(shape):return tf.Variable(tf.random_normal(shape, stddev=0.01))def model(X, w_h, w_h2, w_o, p_keep_input, p_keep_hidden): X = tf.nn.dropout(X, p_keep_input)h = tf.nn.relu(tf.matmul(X, w_h))h = tf.nn.dropout(h, p_keep_hidden)h2 = tf.nn.relu(tf.matmul(h, w_h2))h2 = tf.nn.dropout(h2, p_keep_hidden)return tf.matmul(h2, w_o)mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True) trX, trY, teX, teY = mnist.train.images, mnist.train.labels, mnist.test.images, mnist.test.labelsX = tf.placeholder("float", [None, 784]) Y = tf.placeholder("float", [None, 10])w_h = init_weights([784, 625]) w_h2 = init_weights([625, 625]) w_o = init_weights([625, 10])p_keep_input = tf.placeholder("float") p_keep_hidden = tf.placeholder("float") py_x = model(X, w_h, w_h2, w_o, p_keep_input, p_keep_hidden)cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=py_x, labels=Y)) train_op = tf.train.RMSPropOptimizer(0.001, 0.9).minimize(cost) predict_op = tf.argmax(py_x, 1)with tf.Session() as sess:# you need to initialize all variablestf.global_variables_initializer().run()for i in range(100):for start, end in zip(range(0, len(trX), 128), range(128, len(trX)+1, 128)):sess.run(train_op, feed_dict={X: trX[start:end], Y: trY[start:end],p_keep_input: 0.8, p_keep_hidden: 0.5})print(i, np.mean(np.argmax(teY, axis=1) ==sess.run(predict_op, feed_dict={X: teX,p_keep_input: 1.0,p_keep_hidden: 1.0})))

從結果看到，第二次就達到了96%以上的正確率。后來就一直在98.4%左右游蕩。僅僅是ReLU和Dropout，就把準確率從95%提升到了98%以上。

卷積神經網絡出場

真正的深度學習利器CNN，卷積神經網絡出場。這次的模型比起前面幾個無腦型的，的確是復雜一些。涉及到卷積層和池化層。這個是需要我們后面詳細講一講了。

import tensorflow as tf import numpy as np from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_databatch_size = 128 test_size = 256def init_weights(shape):return tf.Variable(tf.random_normal(shape, stddev=0.01))def model(X, w, w2, w3, w4, w_o, p_keep_conv, p_keep_hidden):l1a = tf.nn.relu(tf.nn.conv2d(X, w, # l1a shape=(?, 28, 28, 32)strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'))l1 = tf.nn.max_pool(l1a, ksize=[1, 2, 2, 1], # l1 shape=(?, 14, 14, 32)strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')l1 = tf.nn.dropout(l1, p_keep_conv)l2a = tf.nn.relu(tf.nn.conv2d(l1, w2, # l2a shape=(?, 14, 14, 64)strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'))l2 = tf.nn.max_pool(l2a, ksize=[1, 2, 2, 1], # l2 shape=(?, 7, 7, 64)strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')l2 = tf.nn.dropout(l2, p_keep_conv)l3a = tf.nn.relu(tf.nn.conv2d(l2, w3, # l3a shape=(?, 7, 7, 128)strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'))l3 = tf.nn.max_pool(l3a, ksize=[1, 2, 2, 1], # l3 shape=(?, 4, 4, 128)strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')l3 = tf.reshape(l3, [-1, w4.get_shape().as_list()[0]]) # reshape to (?, 2048)l3 = tf.nn.dropout(l3, p_keep_conv)l4 = tf.nn.relu(tf.matmul(l3, w4))l4 = tf.nn.dropout(l4, p_keep_hidden)pyx = tf.matmul(l4, w_o)return pyxmnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True) trX, trY, teX, teY = mnist.train.images, mnist.train.labels, mnist.test.images, mnist.test.labels trX = trX.reshape(-1, 28, 28, 1) # 28x28x1 input img teX = teX.reshape(-1, 28, 28, 1) # 28x28x1 input imgX = tf.placeholder("float", [None, 28, 28, 1]) Y = tf.placeholder("float", [None, 10])w = init_weights([3, 3, 1, 32]) # 3x3x1 conv, 32 outputs w2 = init_weights([3, 3, 32, 64]) # 3x3x32 conv, 64 outputs w3 = init_weights([3, 3, 64, 128]) # 3x3x32 conv, 128 outputs w4 = init_weights([128 * 4 * 4, 625]) # FC 128 * 4 * 4 inputs, 625 outputs w_o = init_weights([625, 10]) # FC 625 inputs, 10 outputs (labels)p_keep_conv = tf.placeholder("float") p_keep_hidden = tf.placeholder("float") py_x = model(X, w, w2, w3, w4, w_o, p_keep_conv, p_keep_hidden)cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=py_x, labels=Y)) train_op = tf.train.RMSPropOptimizer(0.001, 0.9).minimize(cost) predict_op = tf.argmax(py_x, 1)with tf.Session() as sess:# you need to initialize all variablestf.global_variables_initializer().run()for i in range(100):training_batch = zip(range(0, len(trX), batch_size),range(batch_size, len(trX)+1, batch_size))for start, end in training_batch:sess.run(train_op, feed_dict={X: trX[start:end], Y: trY[start:end],p_keep_conv: 0.8, p_keep_hidden: 0.5})test_indices = np.arange(len(teX)) # Get A Test Batchnp.random.shuffle(test_indices)test_indices = test_indices[0:test_size]print(i, np.mean(np.argmax(teY[test_indices], axis=1) ==sess.run(predict_op, feed_dict={X: teX[test_indices],p_keep_conv: 1.0,p_keep_hidden: 1.0})))

我們看下這次的運行數據：

0 0.95703125 1 0.9921875 2 0.9921875 3 0.98046875 4 0.97265625 5 0.98828125 6 0.99609375

在第6輪的時候，就跑出了99.6%的高分值，比ReLU和Dropout的一個隱藏層的神經網絡的98.4%大大提高。因為難度是越到后面越困難。
在第16輪的時候，竟然跑出了100%的正確率：

7 0.99609375 8 0.99609375 9 0.98828125 10 0.98828125 11 0.9921875 12 0.98046875 13 0.99609375 14 0.9921875 15 0.99609375 16 1.0

綜上，借助Tensorflow和機器學習工具，我們只有幾十行代碼，就解決了手寫識別這樣級別的問題，而且準確度可以達到如此程度。

本文作者：lusing

原文鏈接

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Tensorflow快餐教程(1) - 30行代码搞定手写识别的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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