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TensorFlow实战-AlexNet

技术分享
  1 # 导入数据
  2 from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data  
  3 # 读取数据
  4 mnist=input_data.read_data_sets("MNIST_data/",one_hot=True) 
  5 import tensorflow as tf
  6 
  7 # 定义卷积操作函数
  8 def conv2d(name,x,w,b):                 
  9     return tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(x,w,strides=[1,1,1,1],padding=SAME),b),name=name)
 10 
 11 # 定义下采样操作函数
 12 def max_pool(name,x,k):
 13     return tf.nn.max_pool(x,ksize=[1,k,k,1],strides=[1,k,k,1],padding=SAME,name=name)
 14 
 15 # 定义归一化函数
 16 def norm(name,x,lsize=4):
 17     return tf.nn.lrn(x,lsize,bias=1.0,alpha=0.001/9,beta=0.75,name=name)
 18 
 19 # 正式定义alex_net网络结构
 20 def alex_net(_X,_weights,_biases,_dropout):
 21     # 对输入进行形变
 22     _X=tf.reshape(_X,shape=[-1,28,28,1])      
 23         
 24     # 构建第一个卷积层
 25     conv1=conv2d(conv1,_X,_weights[wc1],_biases[bc1])
 26     pool1=max_pool(pool1,conv1,k=2)
 27     norm1=norm(norm1,pool1,lsize=4)
 28     drop1=tf.nn.dropout(norm1,_dropout)
 29          
 30     # 构建第二个卷积层
 31     conv2=conv2d(conv2,drop1,_weights[wc2],_biases[bc2])
 32     pool2=max_pool(pool2,conv2,k=2)
 33     norm2=norm(norm2,pool2,lsize=4)
 34     drop2=tf.nn.dropout(norm2,_dropout)
 35        
 36     # 构建第三个卷积层
 37     conv3=conv2d(conv3,drop2,_weights[wc3],_biases[bc3])
 38     pool3=max_pool(pool3,conv3,k=2)
 39     norm3=norm(norm3,pool3,lsize=4)
 40     drop3=tf.nn.dropout(norm3,_dropout)
 41      
 42     # 对输出进行形变,然后连接三个全连接层
 43     dense1=tf.reshape(drop3,shape=[-1,_weights[wd1].get_shape().as_list()[0]])
 44     dense1=tf.nn.relu(tf.matmul(dense1,_weights[wd1])+_biases[bd1],name=fc1)
 45     dense2=tf.nn.relu(tf.matmul(dense1,_weights[wd2])+_biases[bd2],name=fc2)
 46     out=tf.matmul(dense2,_weights[out]+_biases[out])
 47     return out
 48 
 49 # 设置网络训练参数
 50 learning_rate=0.001
 51 training_iters=200000
 52 batch_size=64
 53 display_step=20
 54 
 55 # 设置数据参数
 56 n_input=784
 57 n_classes=10
 58 dropout=0.8
 59 
 60 # 占位符输入 有的版本写成 tf.types.float32
 61 x=tf.placeholder(tf.float32,[None,n_input])
 62 y=tf.placeholder(tf.float32,[None,n_classes])
 63 keep_prob=tf.placeholder(tf.float32)
 64 
 65 # 设置网络核的大小,层数,采样步长等
 66 weights={
 67     wc1:tf.Variable(tf.random_normal([3,3,1,64])),
 68     wc2:tf.Variable(tf.random_normal([3,3,64,128])),
 69     wc3:tf.Variable(tf.random_normal([3,3,128,256])),
 70     wd1:tf.Variable(tf.random_normal([4*4*256,1024])),
 71     wd2:tf.Variable(tf.random_normal([1024,1024])),
 72     out:tf.Variable(tf.random_normal([1024,10]))
 73     }
 74 
 75 biases={
 76     bc1:tf.Variable(tf.random_normal([64])),
 77     bc2:tf.Variable(tf.random_normal([128])),
 78     bc3:tf.Variable(tf.random_normal([256])),
 79     bd1:tf.Variable(tf.random_normal([1024])),
 80     bd2:tf.Variable(tf.random_normal([1024])),
 81     out:tf.Variable(tf.random_normal([n_classes]))
 82 }
 83 
 84 # 构建一个alex_net网络,并根据输入预测输出结果
 85 pred=alex_net(x,weights,biases,keep_prob)
 86 
 87 # 根据预测值pred和真实标签y,构建损失函数
 88 cost=tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(pred,y))
 89 // 设置优化函数,最小化损失函数
 90 optimizer=tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=learning_rate).minimize(cost)
 91 
 92 # 设置测试网络
 93 correct_pred=tf.equal(tf.argmax(pred,1),tf.argmax(y,1))
 94 accuracy=tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred,tf.float32))
 95 
 96 # 初始化网络所有对权重  有的版本写成 global_variables_initializer
 97 init=tf.initialize_all_variables()
 98 
 99 with tf.Session() as sess:
100      # 初始化网络权值
101      sess.run(init)
102      step = 1
103 
104      # 开始训练网络,直到达到最大迭代次数
105      while step * batch_size < training_iters:
106          # 获取批数据
107          batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)
108          
109          # 根据批数据训练网络
110          sess.run(optimizer, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: dropout})
111 
112          # 打印输出
113          if step % display_step == 0:
114              # 计算精度
115              acc = sess.run(accuracy, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: 1.})
116              # 计算损失值
117              loss = sess.run(cost, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: 1.})
118              print "Iter " + str(step*batch_size) + ", Minibatch Loss= " + "{:.6f}".format(loss) + ", Training Accuracy= " + "{:.5f}".format(acc)
119          step += 1
120 
121      print "Optimization Finished!"
122      # 计算测试精度
123      print "Testing Accuracy:", sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images[:256], y: mnist.test.labels[:256], keep_prob: 1.})
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AlexNet:

获得里ILSVRC比赛分类项目的2012年冠军(top-5错误率16.4%,使用额外数据可达到15.3%,8层神经网络 3 conv+2 pooling+3 fc)

首次在CNN中成功应用里ReLU Dropout和LRN等Trick:

成功使用ReLU作为CNN的激活函数,并验证其效果在较深对网络超过里Sigmoid,成功解决里Sigmoid在网络较深时对梯度弥散问题。

虽然ReLU激活函数在很久之前就被提出,但是直到AlexNet的出现才将其发扬光大。

训练时使用

TensorFlow实战-AlexNet