TensorFlow 手写数字识别与一步一步实现卷积神经网络（附代码实战）

手写数字识别

接下来将会以 MNIST 数据集为例，使用卷积层和池化层，实现一个卷积神经网络来进行手写数字识别，并输出卷积和池化效果。

数据准备

• MNIST 数据集下载

MNIST 数据集可以从 THE MNIST DATABASE of handwritten digits 的网站直接下载。
网址：http://yann.lecun.com/exdb/mnist/

train-images-idx3-ubyte.gz: 训练集图片
train-labels-idx1-ubyte.gz: 训练集列标
t10k-images-idx3-ubyte.gz: 测试集图片
t10k-labels-idx1-ubyte.gz: 测试集列标

TensorFlow 有加载 MNIST 数据库相关的模块，可以在程序运行时直接加载。

代码如下：

代码的输出依次是：

1.单个手写数字图片的维度：
(784,)

2.转化为二维矩阵之后的打印结果：
(28, 28)

3.使用 matplotlib 输出为图片

模型实现

TensorFlow conv2d 函数介绍：

tf.nn.conv2d(x, W, strides, padding=’SAME’)
针对输入的 4 维数据 x 计算 2 维卷积。

参数 x：
4 维张量，每一个维度分别是 batch,in_height,in_height,in_channels。
[batch, in_height, in_width, in_channels]

灰度图像只有 2 维来表示每一个像素的值，彩色图像每一个像素点有 3 通道的 RGB 值，所以一个彩色图片转化成张量后是 3 维的，分别是长度，宽度，颜色通道数。又因为每一次训练都是训练都是输入很多张图片，所以，多个 3 维张量组合在一起变成了 4 维张量。

参数 w：
过滤器，因为是二维卷积，所以它的维度是：

[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]

与参数 x 对应，前 3 个参数分别是对应 x 的 filter_height, filter_width, in_channels，最后一个参数是过滤器的输出通道数量。

参数 strides：
1 维长度为 4 的张量，对应参数 x 的 4 个维度上的步长。

参数 padding：
边缘填充方式，主要是 “SAME”, “VALID”，一般使用 “SAME”。

卷积层简单封装

TensorFlow max_pool 函数介绍：

tf.nn.max_pool(x, ksize, strides ,padding)

参数 x:
和 conv2d 的参数 x 相同，是一个 4 维张量，每一个维度分别代表 batch,in_height,in_height,in_channels。

参数 ksize：
池化核的大小，是一个 1 维长度为 4 的张量，对应参数 x 的 4 个维度上的池化大小。

参数 strides：
1 维长度为 4 的张量，对应参数 x 的 4 个维度上的步长。

参数 padding：
边缘填充方式，主要是 “SAME”, “VALID”，一般使用 “SAME”。

接下来将会使用 TensorFlow 实现以下结构的卷积神经网络：

池化层简单封装

超参数定义：卷积神经网络函数

卷积神经网络定义：

效果评估

训练过程输出

模型优化

经典卷积神经网络

图像分类实战项目

The CIFAR-10 dataset

https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html

目标检测实战项目

Tensorflow Object Detection API

https://github.com/tensorflow/models/tree/master/research/object_detection

主要参考对象：

1.TensorFlow 官方介绍

Image Recognition
https://tensorflow.google.cn/tutorials/image_recognition

https://www.tensorflow.org/tutorials/deep_cnn

2.最经典论文

ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks
http://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks

3.最经典课程

Convolutional Neural Networks
http://cs231n.github.io/convolutional-networks/

Deep learning
http://neuralnetworksanddeeplearning.com/chap6.html

3.Wikipedia

Convolutional neural network
https://en.wikipedia.org/wiki/Convolutional_neural_network

4.Good tutorial

Comparison of Normal Neural network

https://leonardoaraujosantos.gitbooks.io/artificial-inteligence/content/convolutional_neural_networks.html

Convolutional Neural Networks (LeNet)

http://deeplearning.net/tutorial/lenet.html#sparse-connectivity

Convolutional neural networks from scratch

http://gluon.mxnet.io/chapter04_convolutional-neural-networks/cnn-scratch.html

卷积神经网络

http://prors.readthedocs.io/zh_CN/latest/2ndPart/Chapter8.SceneClassification/ConvNet.html

ImageNet Classification with Deep Convolutional
Neural Networks

https://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks.pdf