深度学习

第一章 TensorFlow基础

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前言

深度学习，如深度神经网络、卷积神经网络和递归神经网络已被应用计算机视觉、语音识别、自然语言处理、音频识别与生物信息学等领域并获取了极好的效果。与机器学习相比算法更为复杂，应用领域更广泛。注：本篇文章所有函数基于TensorFlow1.0版本，不同版本差别较大。

深度学习框架：

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一、TensorFlow介绍

1.1认识TensorFlow

• Google Brain计划产物
• 应用于AlphaGo,Gmail,Google Maps等1000多个产品
• 与2015年11月开源，2017年2月发布1.0版本
• 架构师Jeff Dean
  

1.2TensorFlow特点

1、真正的可移植性
引入各种计算设备的支持包括CPU/GPU/TPU，以及能够很好地运行在移动端，如安卓设备、ios、树莓派等等

2、多语言支持
Tensorflow 有一个合理的c++使用界面，也有一个易用的python使用界面来构建和执行你的graphs，你可以直接写python/c++程序。

3、高度的灵活性与效率
TensorFlow是一个采用数据流图（data flow graphs），用于数值计算的开源软件库能够灵活进行组装图，执行图。随着开发的进展，Tensorflow的效率不算在提高。

4、支持TensorFlow 由谷歌提供支持，谷歌投入了大量精力开发 TensorFlow，它希望TensorFlow 成为机器学习研究人员和开发人员的通用语言。

1.3什么是数据流图（Data Flow Graph）?

数据流图用“结点”（nodes）和“线”(edges)的有向图来描述数学计算。“节点” 一般用来表示施加的数学操作，但也可以表示数据输入（feed in）的起点/输出（push out）的终点，或者是读取/写入持久变量（persistent variable）的终点。“线”表示“节点”之间的输入/输出关系。这些数据“线”可以输运“size可动态调整”的多维数据数组，即“张量”（tensor）。张量从图中流过的直观图像是这个工具取名为“Tensorflow”的原因。一旦输入端的所有张量准备好，节点将被分配到各种计算设备完成异步并行地执行运算。

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二、图和会话

2.1图

tensor:张量
operation(op):专门运算操作节点，所有操作都是一个op
图graph：整个程序的结构
会话：运算图结构

图默认已经注册，默认的这张图，相当于是给程序分配一段内存，一组表示 tf.Operation计算单位的对象和tf.Tensor
表示操作之间流动的数据单元的对象

哪些是op？

op:只要使用tensorflow的API定义的函数都是OP

图的获取调用：

• tf.get_default_graph()
• op、sess或者tensor 的graph属性

图的创建：

• tf.Graph()
• 使用新创建的图

g = tf.Graph() 
with g.as_default(): 
	a = tf.constant(1.0) 
	assert c.graph is g

2.2会话

• tf.Session()
  运行TensorFlow操作图的类，使用默认注册的图（可以指定运行图）
• 会话资源
  会话可能拥有很多资源，如 tf.Variable，tf.QueueBase和tf.ReaderBase，会话结束后需要进行资源释放

1. sess = tf.Session() sess.run(…) sess.close()
2. 使用上下文管理器
   with tf.Session() as sess:
   sess.run(…)
   参数：config=tf.ConfigProto(log_device_placement=True)

交互式：tf.InteractiveSession()

2.3会话的run方法

run(fetches, feed_dict=None,graph=None)
运行ops和计算tensor

• 嵌套列表，元组，
  namedtuple，dict或OrderedDict(重载的运算符也能运行)
• feed_dict 允许调用者覆盖图中指定张量的值,提供给placeholder使用
• 返回值异常
  RuntimeError：如果它Session处于无效状态（例如已关闭）。
  TypeError：如果fetches或feed_dict键是不合适的类型。
  ValueError：如果fetches或feed_dict键无效或引用 Tensor不存在。

Tensorflow Feed操作：
意义：在程序执行的时候,不确定输入的是什么，提前“占个坑”
语法：placeholder提供占位符，run时候通过feed_dict指定参数

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三、张量和基本运算

3.1张量的阶、数据类型、属性

张量的阶：

在TensorFlow系统中，张量的维数来被描述为阶.但是张量的阶和矩阵的阶并不是同一个概念.张量的阶（有时是关于如顺序或度数或者是n维）是张量维数的一个数量描述.比如，下面的张量（使用Python中list定义的）就是2阶.
t = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
可以认为一个二阶张量就是我们平常所说的矩阵，一阶张量可以认为是一个向量.

张量的数据类型：

张量属性：

• graph 张量所属的默认图
• op 张量的操作名
• name 张量的字符串描述
• shape 张量形状

张量的动态形状与静态形状：

• 静态形状：
  创建一个张量或者由操作推导出一个张量时,初始状态的形状
  tf.Tensor.get_shape:获取静态形状
  tf.Tensor.set_shape():更新Tensor对象的静态形状，通常用于在不能直接推断的情况下
• 动态形状：
  一种描述原始张量在执行过程中的一种形状
  tf.reshape:创建一个具有不同动态形状的新张量

注意：
1、转换静态形状的时候，1-D到1-D，2-D到2-D，不能跨阶数改变形状
2、 对于已经固定或者设置静态形状的张量／变量，不能再次设置静态形状
3、tf.reshape()动态创建新张量时，元素个数不能不匹配

3.2张量操作-生成张量：

固定值张量：

• tf.zeros(shape, dtype=tf.float32, name=None)
  创建所有元素设置为零的张量。此操作返回一个dtype具有形状shape和所有元素设置为零的类型的张量。
• tf.zeros_like(tensor, dtype=None, name=None)
  给tensor定单张量（），此操作返回tensor与所有元素设置为零相同的类型和形状的张量。
• tf.ones(shape, dtype=tf.float32, name=None)
  创建一个所有元素设置为1的张量。此操作返回一个类型的张量，dtype形状shape和所有元素设置为1。
• tf.ones_like(tensor, dtype=None, name=None)
  给tensor定单张量（），此操作返回tensor与所有元素设置为1 相同的类型和形状的张量。
• tf.fill(dims, value, name=None)
  创建一个填充了标量值的张量。此操作创建一个张量的形状dims并填充它value。
• tf.constant(value, dtype=None, shape=None, name=‘Const’)
  创建一个常数张量。

用常数张量作为例子

t1 = tf.constant([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7])
t2 = tf.constant(-1.0, shape=[2, 3])
print(t1,t2)

在没有运行的时候，输出值为：

(<tf.Tensor 'Const:0' shape=(7,) dtype=int32>, <tf.Tensor 'Const_1:0' shape=(2, 3) dtype=float32>)

一个张量包含了以下几个信息：

• 一个名字，它用于键值对的存储，用于后续的检索：Const: 0
• 一个形状描述， 描述数据的每一维度的元素个数：（2，3）
• 数据类型，比如int32,float32

创建随机张量：

• tf.truncated_normal(shape, mean=0.0, stddev=1.0, dtype=tf.float32,
  seed=None, name=None)
  从截断的正态分布中输出随机值，和 tf.random_normal() 一样，但是所有数字都不超过两个标准差
• tf.random_normal(shape, mean=0.0, stddev=1.0, dtype=tf.float32,
  seed=None, name=None)
  从正态分布中输出随机值，由随机正态分布的数字组成的矩阵
• tf.random_uniform(shape, minval=0.0, maxval=1.0, dtype=tf.float32,
  seed=None, name=None)
  从均匀分布输出随机值。生成的值遵循该范围内的均匀分布 [minval, maxval)。下限minval包含在范围内，而maxval排除上限。
• tf.random_shuffle(value, seed=None, name=None)
  沿其第一维度随机打乱
• tf.set_random_seed(seed)
  设置图级随机种子

为什么需要正态分布的变量值？

概率密度函数为正态分布的期望值μ决定了其位置，其标准差σ
决定了分布的幅度。当μ = 0,σ = 1时的正态分布是标准正态分布。


一般我们经常使用的随机数函数 Math.random() 产生的是服从均匀分布的随机数，能够模拟等概率出现的情况，例如 扔一个骰子，1到6点的概率应该相等，但现实生活中更多的随机现象是符合正态分布的，例如20岁成年人的体重分布等。

假如我们在制作一个游戏，要随机设定许许多多 NPC 的身高，如果还用Math.random()，生成从140 到 220 之间的数字，就会发现每个身高段的人数是一样多的，这是比较无趣的，这样的世界也与我们习惯不同，现实应该是特别高和特别矮的都很少，处于中间的人数最多，这就要求随机函数符合正态分布。

3.3张量操作-张量变换：

改变类型：

• tf.string_to_number(string_tensor, out_type=None, name=None)
• tf.to_double(x, name=‘ToDouble’)
• tf.to_float(x, name=‘ToFloat’)
• tf.to_bfloat16(x, name=‘ToBFloat16’)
• tf.to_int32(x, name=‘ToInt32’)
• tf.to_int64(x, name=‘ToInt64’)
• tf.cast(x, dtype, name=None)

形状和变换：可用于确定张量的形状并更改张量的形状

• tf.shape(input, name=None)
• tf.size(input, name=None)
• tf.rank(input, name=None)
• tf.reshape(tensor, shape, name=None)
• tf.squeeze(input, squeeze_dims=None, name=None)
• tf.expand_dims(input, dim, name=None)

切片与扩展：TensorFlow提供了几个操作来切片或提取张量的部分，或者将多个张量加在一起

• tf.slice(input_, begin, size, name=None)
• tf.split(split_dim, num_split, value, name=‘split’)
• tf.tile(input, multiples, name=None)
• tf.pad(input, paddings, name=None)
• tf.concat(concat_dim, values, name=‘concat’)
• tf.pack(values, name=‘pack’)
• tf.unpack(value, num=None, name=‘unpack’)
• tf.reverse_sequence(input, seq_lengths, seq_dim, name=None)
• tf.reverse(tensor, dims, name=None)
• tf.transpose(a, perm=None, name=‘transpose’)
• tf.gather(params, indices, name=None)
• tf.dynamic_partition(data, partitions, num_partitions, name=None)
• tf.dynamic_stitch(indices, data, name=None)

3.4提供给Tensor运算的数学函数

https://www.tensorflow.org/versions/r1.0/api_guides/python/math_ops

• 算术运算符
• 基本数学函数
• 矩阵运算
• 减少维度的运算(求均值)
• 序列运算

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四、变量和模型保存加载

变量也是一种OP，是一种特殊的张量，能够进行存储持久化，它的值就是张量。

变量的创建：
tf.Variable(initial_value=None,name=None)
创建一个带值initial_value的新变量

• assign(value)
  为变量分配一个新值
  返回新值
• eval(session=None)
  计算并返回此变量的值
• name属性表示变量名字

变量的初始化：

tf.global_variables_initializer()
添加一个初始化所有变量的op
在会话中开启

tensorflow变量作用域：

作用：让模型代码更加清晰，作用分明

tf.variable_scope(<scope_name>) 创建指定名字的变量作用域

with tf.variable_scope("itcast") as scope:
  print("----")

嵌套使用变量作用域

with tf.variable_scope("itcast") as itcast:
    with tf.variable_scope("python") as python:
      print("----")

4.1可视化学习

可视化学习Tensorboard：

• 数据序列化-events文件
  TensorBoard 通过读取 TensorFlow 的事件文件来运行
• tf.summary.FileWriter(’/tmp/tensorflow/summary/test/’,
  graph=default_graph)
  返回filewriter,写入事件文件到指定目录(最好用绝对路径)，以提供给tensorboard使用
• 终端开启
  tensorboard --logdir=/tmp/tensorflow/summary/test/
  一般浏览器打开为127.0.0.1:6006

注：修改程序后，再保存一遍会有新的事件文件，打开默认为最新

图中的符号意义：

import tensorflow as tf

# 变量op
# 1、变量op能够持久化保存，普通张量op是不行的
# 2、当定义一个变量op的时候，一定要在会话当中去运行初始化
# 3、name参数：在tensorboard使用的时候显示名字，可以让相同op名字的进行区分

a = tf.constant(3.0, name="a")
b = tf.constant(4.0, name="b")
c = tf.add(a, b, name="add")
var = tf.Variable(tf.random_normal([2, 3], mean=0.0, stddev=1.0), name="variable")

print(c, var)
# 必须做一步显示的初始化op
init_op = tf.global_variables_initializer()

with tf.Session() as sess:
    # 必须运行初始化op
    sess.run(init_op)

    # 把程序的图结构写入事件文件, graph:把指定的图写进事件文件当中
    filewriter = tf.summary.FileWriter("./test/", graph=sess.graph)
    print(sess.run([c, var]))

4.2线性回归原理及实现

Tensorflow运算API：

• 矩阵运算： tf.matmul(x, w)
• 平方： tf.square(error)
• 均值： tf.reduce_mean(error)

梯度下降API：

tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate) 梯度下降优化

• learning_rate:学习率，一般为
• method:
• return:梯度下降op

import tensorflow as tf

def myregression():
    """
    自实现一个线性回归预测
    :return: None
    """

    # 1、准备数据，x 特征值 [100, 1]   y 目标值[100]
    x = tf.random_normal([100, 1], mean=1.75, stddev=0.5, name="x_data")
    # 矩阵相乘必须是二维的
    y_true = tf.matmul(x, [[0.7]]) + 0.8
    # 2、建立线性回归模型 1个特征，1个权重，多少个特征就有多少个weight， 一个偏置 y = x w + b
    # 随机给一个权重和偏置的值，让他去计算损失，然后再当前状态下优化
    # 用变量定义才能优化
    # trainable参数：指定这个变量能跟着梯度下降一起优化
    weight = tf.Variable(tf.random_normal([1, 1], mean=0.0, stddev=1.0), name="w")
    bias = tf.Variable(0.0, name="b")
    y_predict = tf.matmul(x, weight) + bias
    # 3、建立损失函数，均方误差
    loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_true - y_predict))
    # 4、梯度下降优化损失 leaning_rate: 0 ~ 1, 2, 3,5, 7, 10
    train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)
    # 定义一个初始化变量的op
    init_op = tf.global_variables_initializer()

    # 通过会话运行程序
    with tf.Session() as sess:
        # 初始化变量
        sess.run(init_op)

        # 打印随机最先初始化的权重和偏置
        print("随机初始化的参数权重为：%f, 偏置为：%f" % (weight.eval(), bias.eval()))

        # 循环训练 运行优化
        for i in range(500):

            sess.run(train_op)
            print("第%d次优化的参数权重为：%f, 偏置为：%f" % (i, weight.eval(), bias.eval()))

    return None
if __name__ == "__main__":
    myregression()

4.3trainable，学习率调整，梯度爆炸

trainable参数：指定这个变量能跟着梯度下降一起优化
trainable一般设置为0.01

学习率和步数问题：协调好

梯度爆炸： 在极端情况下，权重的值变的非常大，以至于溢出，导致NaN值

如何解决梯度爆炸问题？

1. 重新设计网络
2. 调整学习率
3. 使用梯度截断
4. 使用激活函数

4.4增量损失值等变量显示

增加变量显示：

目的：观察模型的参数、损失值等变量值的变化

1、收集变量

• tf.summary.scalar(name=’’,tensor)
  收集对于损失函数和准确率等单值变量,name为变量的名字，tensor为值
• tf.summary.histogram(name=‘’,tensor) 收集高维度的变量参数
• tf.summary.image(name=‘’,tensor) 收集输入的图片张量能显示图片

2、合并变量写入事件文件

• merged = tf.summary.merge_all()
• 运行合并：summary = sess.run(merged) 每次迭代都需运行
• 添加：FileWriter.add_summary(summary,i) i表示第几次的值

4.5模型的保存与加载

在我们训练或者测试过程中，总会遇到需要保存训练完成的模型，然后从中恢复继续我们的测试或者其它使用。模型的保存和恢复也是通过tf.train.Saver类去实现，它主要通过将Saver类添加OPS保存和恢复变量到checkpoint。它还提供了运行这些操作的便利方法。

tf.train.Saver(var_list=None, reshape=False, sharded=False, max_to_keep=5, keep_checkpoint_every_n_hours=10000.0, name=None, restore_sequentially=False, saver_def=None, builder=None, defer_build=False, allow_empty=False, write_version=tf.SaverDef.V2, pad_step_number=False)

• var_list:指定将要保存和还原的变量。它可以作为一个dict或一个列表传递.
• max_to_keep：指示要保留的最近检查点文件的最大数量。创建新文件时，会删除较旧的文件。如果无或0，则保留所有检查点文件。默认为5（即保留最新的5个检查点文件。）
• keep_checkpoint_every_n_hours：多久生成一个新的检查点文件。默认为10,000小时

保存：
保存我们的模型需要调用Saver.save()方法。save(sess, save_path, global_step=None)，checkpoint是专有格式的二进制文件，将变量名称映射到张量值。

恢复：
恢复模型的方法是restore(sess, save_path)，save_path是以前保存参数的路径，我们可以使用tf.train.latest_checkpoint来获取最近的检查点文件(也恶意直接写文件目录)

例如：saver.save(sess, ‘/tmp/ckpt/test/model’)
saver.restore(sess, ‘/tmp/ckpt/test/model’)
保存文件格式：checkpoint文件

import tensorflow as tf

a = tf.Variable([[1.0,2.0]],name="a")
b = tf.Variable([[3.0],[4.0]],name="b")
c = tf.matmul(a,b)

saver=tf.train.Saver(max_to_keep=1)
with tf.Session() as sess:
    tf.global_variables_initializer().run()
    print(sess.run(c))
    saver.save(sess, '/tmp/ckpt/test/matmul')

    # 恢复模型
    model_file = tf.train.latest_checkpoint('/tmp/ckpt/test/')
    saver.restore(sess, model_file)
    print(sess.run([c], feed_dict={a: [[5.0,6.0]], b: [[7.0],[8.0]]}))

4.6自定义命令行参数

tf.app.run(),默认调用main()函数，运行程序。main(argv)必须传一个参数。

tf.app.flags，它支持应用从命令行接受参数，可以用来指定集群配置等。在tf.app.flags下面有各种定义参数的类型

• DEFINE_string(flag_name, default_value, docstring)
• DEFINE_integer(flag_name, default_value, docstring)
• DEFINE_boolean(flag_name, default_value, docstring)
• DEFINE_float(flag_name, default_value, docstring)
• 第一个也就是参数的名字，路径、大小等等。第二个参数提供具体的值。第三个参数是说明文档

tf.app.flags.FLAGS,在flags有一个FLAGS标志，它在程序中可以调用到我们前面具体定义的flag_name.

import tensorflow as tf

FLAGS = tf.app.flags.FLAGS

tf.app.flags.DEFINE_string('data_dir', '/tmp/tensorflow/mnist/input_data',
                           """数据集目录""")
tf.app.flags.DEFINE_integer('max_steps', 2000,
                            """训练次数""")
tf.app.flags.DEFINE_string('summary_dir', '/tmp/summary/mnist/convtrain',
                           """事件文件目录""")


def main(argv):
    print(FLAGS.data_dir)
    print(FLAGS.max_steps)
    print(FLAGS.summary_dir)
    print(argv)


if __name__=="__main__":
    tf.app.run()

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