深度学习之旅：TensorFlow篇

深度学习与TensorFlow

DNN（深度神经网络算法）现在是AI社区的流行词。最近，DNN 在许多数据科学竞赛/Kaggle 竞赛中获得了多次冠军。
自从 1962 年 Rosenblat 提出感知机（Perceptron）以来，DNN 的概念就已经出现了，而自 Rumelhart、Hinton 和 Williams 在 1986 年发现了梯度下降算法后，DNN 的概念就变得可行了。直到最近 DNN 才成为全世界 AI/ML 爱好者和工程师的最爱。

主要原因在于现代计算能力的可用性，如 GPU 和  TensorFlow 等工具，可以通过几行代码轻松访问 GPU 并构建复杂的神经网络。
作为一名机器学习爱好者，必须熟悉神经网络和深度学习的概念，但为了完整起见，将在这里介绍基础知识，并探讨 TensorFlow 的哪些特性使其成为深度学习的热门选择。

神经网络是一个生物启发式的计算和学习模型。像生物神经元一样，它们从其他细胞（神经元或环境）获得加权输入。这个加权输入经过一个处理单元并产生可以是二进制或连续（概率，预测）的输出。

人工神经网络（ANN）是这些神经元的网络，可以随机分布或排列成一个分层结构。这些神经元通过与它们相关的一组权重和偏置来学习。
下图对生物神经网络和人工神经网络的相似性给出了形象的对比：

图 1 生物神经网络和人工神经网络的相似性

根据 Hinton 等人的定义，深度学习

（ https://www.cs.toronto.edu/~hinton/absps/NatureDeepReview.pdf）是由多个处理层（隐藏层）组成的计算模型。层数的增加会导致学习时间的增加。由于数据量庞大，学习时间进一步增加，现今的 CNN 或生成对抗网络（GAN）的规范也是如此。

因此，为了实际实现 DNN，需要高计算能力。NVDIA 公司 GPU 的问世使其变得可行，随后 Google 的 TensorFlow 使得实现复杂的 DNN 结构成为可能，而不需要深入复杂的数学细节， 大数据集的可用性为 DNN 提供了必要的数据来源。

TensorFlow 成为最受欢迎的深度学习库，原因如下：

1. TensorFlow 是一个强大的库，用于执行大规模的数值计算，如矩阵乘法或自动微分。这两个计算是实现和训练 DNN 所必需的。
2. TensorFlow 在后端使用 C/ C++，这使得计算速度更快。
3. TensorFlow 有一个高级机器学习 API（tf.contrib.learn），可以更容易地配置、训练和评估大量的机器学习模型。
4. 可以在 TensorFlow 上使用高级深度学习库 Keras。Keras 非常便于用户使用，并且可以轻松快速地进行原型设计。它支持各种 DNN，如RNN、CNN，甚至是两者的组合。任何深度学习网络都由四个重要部分组成：数据集、定义模型（网络结构）、训练/学习和预测/评估。可以在 TensorFlow 中实现所有这些。

数据集

DNN 依赖于大量的数据。可以收集或生成数据，也可以使用可用的标准数据集。TensorFlow 支持三种主要的读取数据的方法，可以在不同的数据集中使用；本教程中用来训练建立模型的一些数据集介绍如下：

• MNIST：这是最大的手写数字（0～9）数据库。它由 60000 个示例的训练集和 10000 个示例的测试集组成。该数据集存放在 Yann LeCun 的主页（ http://yann.lecun.com/exdb/mnist/）中。这个数据集已经包含在tensorflow.examples.tutorials.mnist 的 TensorFlow 库中。

• CIFAR10：这个数据集包含了 10 个类别的 60000 幅 32×32 彩色图像，每个类别有 6000 幅图像。其中训练集包含 50000 幅图像，测试数据集包含 10000 幅图像。数据集的 10 个类别分别是：飞机、汽车、鸟、猫、鹿、狗、青蛙、马、船和卡车。该数据由多伦多大学计算机科学系维护（ https://www.cs.toronto.edu/kriz/cifar.html）。

• WORDNET：这是一个英文的词汇数据库。它包含名词、动词、副词和形容词，被归为一组认知同义词（Synset），即代表相同概念的词语，例如 shut 和 close，car 和 automobile 被分组为无序集合。它包含 155287 个单词，组织在 117659 个同义词集合中，总共 206941 个单词对。该数据集由普林斯顿大学维护（ https://wordnet.princeton.edu/）。

• ImageNET：这是一个根据 WORDNET 层次组织的图像数据集（目前只有名词）。每个有意义的概念（synset）由多个单词或单词短语来描述。每个子空间平均由 1000 幅图像表示。目前共有 21841 个同义词，共有 14197122 幅图像。自 2010 年以来，每年举办一次 ImageNet 大规模视觉识别挑战赛（ILSVRC），将图像分类到 1000 个对象类别中。这项工作是由美国普林斯顿大学、斯坦福大学、A9 和谷歌赞助（ http://www.image-net.org/）。

• YouTube-8M：这是一个由数百万 YouTube 视频组成的大型标签视频数据集。它有大约 700 万个 YouTube 视频网址，分为 4716 个小类，并分为 24 个大类。它还提供预处理支持和框架功能。数据集由 Google Research（ https://research.google.com/youtube8m/）维护。

读取数据

在 TensorFlow 中可以通过三种方式读取数据：

1. 通过feed_dict传递数据；
2. 从文件中读取数据；
3. 使用预加载的数据；

本文使用这三种方式来读取数据。

接下来，将依次学习每种数据读取方式。

通过feed_dict传递数据

在这种情况下，运行每个步骤时都会使用 run() 或 eval（) 函数调用中的 feed_dict 参数来提供数据。这是在占位符的帮助下完成的，这个方法允许传递 Numpy 数组数据。可以使用 TensorFlow 的以下代码：

这里，x 和 y 是占位符；使用它们，在 feed_dict 的帮助下传递包含 X 值的数组和包含 Y 值的数组。

从文件中读取

当数据集非常大时，使用此方法可以确保不是所有数据都立即占用内存（例如 60 GB的 YouTube-8m 数据集）。从文件读取的过程可以通过以下步骤完成：

• 使用字符串张量 ["file0"，"file1"] 或者 [("file%d"i)for in in range(2)] 的方式创建文件命名列表，或者使用 files=tf.train.match_filenames_once('*.JPG') 函数创建。
• 文件名队列：创建一个队列来保存文件名，此时需要使用 tf.train.string_input_producer 函数：
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这个函数还提供了一个选项来排列和设置批次的最大数量。整个文件名列表被添加到每个批次的队列中。如果选择了 shuffle=True，则在每个批次中都要重新排列文件名。

• Reader用于从文件名队列中读取文件。根据输入文件格式选择相应的阅读器。read方法是标识文件和记录（调试时有用）以及标量字符串值的关键字。例如，文件格式为.csv 时：
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预加载的数据

当数据集很小时可以使用，可以在内存中完全加载。因此，可以将数据存储在常量或变量中。在使用变量时，需要将可训练标志设置为 False，以便训练时数据不会改变。预加载数据为 TensorFlow 常量时：

一般来说，数据被分为三部分：训练数据、验证数据和测试数据。

定义模型

建立描述网络结构的计算图。它涉及指定信息从一组神经元到另一组神经元的超参数、变量和占位符序列以及损失/错误函数。

训练/学习

在 DNN 中的学习通常基于梯度下降算法（后续章节将详细讨论），其目的是要找到训练变量（权重/偏置），将损失/错误函数最小化。这是通过初始化变量并使用 run() 来实现的：

评估模型

一旦网络被训练，通过 predict() 函数使用验证数据和测试数据来评估网络。这可以评价模型是否适合相应数据集，可以避免过拟合或欠拟合的问题。一旦模型取得让人满意的精度，就可以部署在生产环境中了。

拓展阅读

在 TensorFlow 1.3 中，增加了一个名为 TensorFlow Estimator 的新功能。 TensorFlow Estimator 使创建神经网络模型的任务变得更加容易，它是一个封装了训练、评估、预测和服务过程的更高层次的API。它提供了使用预先制作的估算器的选项，或者可以编写自己的定制估算器。通过预先制定的估算器，不再需要担心构建计算或创建会话，它会处理所有这些。
目前 TensorFlow Estimator 有 6 个预先制定的估算器。使用 TensorFlow 预制的 Estimator 的另一个优点是，它本身也可以在 TensorBoard 上创建可视化的摘要。

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