【深度学习】嘿马深度学习笔记第2篇：TensorFlow介绍,学习目标【附代码文档】

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本教程的知识点为：深度学习介绍 1.1 深度学习与机器学习的区别 TensorFlow介绍 2.4 张量 2.4.1 张量(Tensor) 2.4.1.1 张量的类型 TensorFlow介绍 1.2 神经网络基础 1.2.1 Logistic回归 1.2.1.1 Logistic回归 TensorFlow介绍 总结 每日作业 神经网络与tf.keras 1.3 神经网络基础 神经网络与tf.keras 1.3 Tensorflow实现神经网络 1.3.1 TensorFlow keras介绍 1.3.2 案例：实现多层神经网络进行时装分类 神经网络与tf.keras 1.4 深层神经网络 为什么使用深层网络 1.4.1 深层神经网络表示 卷积神经网络 3.1 卷积神经网络(CNN)原理 为什么需要卷积神经网络 原因之一：图像特征数量对神经网络效果压力 卷积神经网络 3.1 卷积神经网络(CNN)原理 为什么需要卷积神经网络 原因之一：图像特征数量对神经网络效果压力 卷积神经网络 2.2案例：CIFAR100类别分类 2.2.1 CIFAR100数据集介绍 2.2.2 API 使用 卷积神经网络 2.4 BN与神经网络调优 2.4.1 神经网络调优 2.4.1.1 调参技巧 卷积神经网络 2.4 经典分类网络结构 2.4.1 LeNet-5解析 2.4.1.1 网络结构 卷积神经网络 2.5 CNN网络实战技巧 2.5.1 迁移学习(Transfer Learning) 2.5.1.1 介绍 卷积神经网络 总结 每日作业 商品物体检测项目介绍 1.1 项目演示 商品物体检测项目介绍 3.4 Fast R-CNN 3.4.1 Fast R-CNN 3.4.1.1 RoI pooling YOLO与SSD 4.3 案例：SSD进行物体检测 4.3.1 案例效果 4.3.2 案例需求 商品检测数据集训练 5.2 标注数据读取与存储 5.2.1 案例：xml读取本地文件存储到pkl 5.2.1.1 解析结构

全套笔记资料代码移步： https://gitee.com/yinuo112/AI/tree/master/深度学习/嘿马深度学习笔记/note.md

感兴趣的小伙伴可以自取哦~

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全套教程部分目录：

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TensorFlow介绍

说明TensorFlow的数据流图结构
应用TensorFlow操作图
说明会话在TensorFlow程序中的作用
应用TensorFlow实现张量的创建、形状类型修改操作
应用Variable实现变量op的创建
应用Tensorboard实现图结构以及张量值的显示
应用tf.train.saver实现TensorFlow的模型保存以及加载
应用tf.app.flags实现命令行参数添加和使用
应用TensorFlow实现线性回归

2.4 张量

学习目标

• 目标

  • 知道常见的TensorFlow创建张量
  • 知道常见的张量数学运算操作
  • 说明numpy的数组和张量相同性
  • 说明张量的两种形状改变特点
  • 应用set_shape和tf.reshape实现张量形状的修改
  • 应用tf.matmul实现张量的矩阵运算修改
  • 应用tf.cast实现张量的类型

• 应用

  • 无

• 内容预览

  • 2.4.1 张量(Tensor)

    • 1 张量的类型
    • 2 张量的阶

  • 2.4.2 创建张量的指令

    • 固定值张量
    • 随机值张量

  • 2.4.3 张量的变换

    • 1 类型改变
    • 2 形状改变
  • 2.4.4 张量的数学运算

在编写 TensorFlow 程序时，程序传递和运算的主要目标是tf.Tensor

2.4.1 张量(Tensor)

TensorFlow 的张量就是一个 n 维数组， 类型为tf.Tensor。Tensor具有以下两个重要的属性

• type:数据类型
• shape:形状(阶)

2.4.1.1 张量的类型

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2.4.1.2 张量的阶

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形状有0阶、1阶、2阶….

tensor1 = tf.constant(4.0)
tensor2 = tf.constant([1, 2, 3, 4])
linear_squares = tf.constant([[4], [9], [16], [25]], dtype=tf.int32)

print(tensor1.shape)
  
  
# 0维：()   1维：(10, )   2维：(3, 4)   3维：(3, 4, 5)
  
  

2.4.2 创建张量的指令

• 固定值张量

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• 随机值张量

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• 其它特殊的创建张量的op

  • tf.Variable
  • tf.placeholder

2.4.3 张量的变换

1 类型改变

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2 形状改变

TensorFlow的张量具有两种形状变换，动态形状和静态形状

• tf.reshape
• tf.set_shape

关于动态形状和静态形状必须符合以下规则

• 静态形状

  • 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
  • 对于已经固定的张量的静态形状的张量，不能再次设置静态形状

• 动态形状

  • tf.reshape()动态创建新张量时，张量的元素个数必须匹配

def tensor_demo():
    """
    张量的介绍
    :return:
    """
    a = tf.constant(value=30.0, dtype=tf.float32, name="a")
    b = tf.constant([[1, 2], [3, 4]], dtype=tf.int32, name="b")
    a2 = tf.constant(value=30.0, dtype=tf.float32, name="a2")
    c = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[2, 3, 4], name="c")
    sum = tf.add(a, a2, name="my_add")
    print(a, a2, b, c)
    print(sum)
    # 获取张量属性
    print("a的图属性：\n", a.graph)
    print("b的名字：\n", b.name)
    print("a2的形状：\n", a2.shape)
    print("c的数据类型：\n", c.dtype)
    print("sum的op:\n", sum.op)

    # 获取静态形状
    print("b的静态形状：\n", b.get_shape())

    # 定义占位符
    a_p = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, None])
    b_p = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, 10])
    c_p = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[3, 2])
    # 获取静态形状
    print("a_p的静态形状为：\n", a_p.get_shape())
    print("b_p的静态形状为：\n", b_p.get_shape())
    print("c_p的静态形状为：\n", c_p.get_shape())

    # 形状更新
    # a_p.set_shape([2, 3])
    # 静态形状已经固定部分就不能修改了
    # b_p.set_shape([10, 3])
    # c_p.set_shape([2, 3])

    # 静态形状已经固定的部分包括它的阶数，如果阶数固定了，就不能跨阶更新形状
    # 如果想要跨阶改变形状，就要用动态形状
    # a_p.set_shape([1, 2, 3])
    # 获取静态形状
    print("a_p的静态形状为：\n", a_p.get_shape())
    print("b_p的静态形状为：\n", b_p.get_shape())
    print("c_p的静态形状为：\n", c_p.get_shape())

    # 动态形状
    # c_p_r = tf.reshape(c_p, [1, 2, 3])
    c_p_r = tf.reshape(c_p, [2, 3])
    # 动态形状，改变的时候，不能改变元素的总个数
    # c_p_r2 = tf.reshape(c_p, [3, 1])
    print("动态形状的结果：\n", c_p_r)
    # print("动态形状的结果2：\n", c_p_r2)
    return None

2.4.4 张量的数学运算

• 算术运算符
• 基本数学函数
• 矩阵运算
• reduce操作

• 序列索引操作

  详细请参考: [

这些API使用，我们在使用的时候介绍，具体参考文档

2.5 变量OP

• 目标

  • 说明变量op的特殊作用
  • 说明变量op的trainable参数的作用
  • 应用global_variables_initializer实现变量op的初始化

• 应用

  • 无

• 内容预览

  • 2.5.1 创建变量
  • 2.5.2 使用tf.variable_scope()修改变量的命名空间

TensorFlow变量是表示程序处理的共享持久状态的最佳方法。变量通过 tf.Variable OP类进行操作。变量的特点：

• 存储持久化
• 可修改值
• 可指定被训练

2.5.1 创建变量

• tf.Variable(initial_value=None,trainable=True,collections=None,name=None)

  • initial_value:初始化的值
  • trainable:是否被训练
  • collections：新变量将添加到列出的图的集合中collections，默认为[GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES]，如果trainable是True变量也被添加到图形集合 GraphKeys.TRAINABLE_VARIABLES
• 变量需要显式初始化，才能运行值

def variable_demo():
    """
    变量的演示
    :return:
    """
    # 定义变量
    a = tf.Variable(initial_value=30)
    b = tf.Variable(initial_value=40)
    sum = tf.add(a, b)

    # 初始化变量
    init = tf.global_variables_initializer()

    # 开启会话
    with tf.Session() as sess:
        # 变量初始化
        sess.run(init)
        print("sum:\n", sess.run(sum))

    return None

2.5.2 使用tf.variable_scope()修改变量的命名空间

会在OP的名字前面增加命名空间的指定名字

with tf.variable_scope("name"):
    var = tf.Variable(name='var', initial_value=[4], dtype=tf.float32)
    var_double = tf.Variable(name='var', initial_value=[4], dtype=tf.float32)

<tf.Variable 'name/var:0' shape=() dtype=float32_ref>
<tf.Variable 'name/var_1:0' shape=() dtype=float32_ref>

TensorFlow介绍

说明TensorFlow的数据流图结构
应用TensorFlow操作图
说明会话在TensorFlow程序中的作用
应用TensorFlow实现张量的创建、形状类型修改操作
应用Variable实现变量op的创建
应用Tensorboard实现图结构以及张量值的显示
应用tf.train.saver实现TensorFlow的模型保存以及加载
应用tf.app.flags实现命令行参数添加和使用
应用TensorFlow实现线性回归

2.7 案例：实现线性回归

学习目标

• 目标

  • 应用op的name参数实现op的名字修改
  • 应用variable_scope实现图程序作用域的添加
  • 应用scalar或histogram实现张量值的跟踪显示
  • 应用merge_all实现张量值的合并
  • 应用add_summary实现张量值写入文件
  • 应用tf.train.saver实现TensorFlow的模型保存以及加载
  • 应用tf.app.flags实现命令行参数添加和使用
  • 应用reduce_mean、square实现均方误差计算
  • 应用tf.train.GradientDescentOptimizer实现有梯度下降优化器创建
  • 应用minimize函数优化损失
  • 知道梯度爆炸以及常见解决技巧

• 应用

  • 实现线性回归模型

• 内容预览

  • 2.7.1 线性回归原理复习
  • 2.7.2 案例：实现线性回归的训练

  • 2.7.3 增加其他功能

    • 1 增加变量显示
    • 2 增加命名空间
    • 3 模型的保存与加载
    • 4 命令行参数使用

2.7.1 线性回归原理复习

根据数据建立回归模型，w1x1+w2x2+…..+b = y，通过真实值与预测值之间建立误差，使用梯度下降优化得到损失最小对应的权重和偏置。最终确定模型的权重和偏置参数。最后可以用这些参数进行预测。

2.7.2 案例：实现线性回归的训练

1 案例确定

• 假设随机指定100个点，只有一个特征

• 数据本身的分布为 y = 0.8 * x + 0.7

  这里将数据分布的规律确定，是为了使我们训练出的参数跟真实的参数（即0.8和0.7）比较是否训练准确

2 API

运算

• 矩阵运算

  • tf.matmul(x, w)

• 平方

  • tf.square(error)

• 均值

  • tf.reduce_mean(error)

梯度下降优化

• tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)

  • 梯度下降优化
  • learning_rate:学习率，一般为0~1之间比较小的值

  • method:

    • minimize(loss)
  • return:梯度下降op

3 步骤分析

• 1 准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本

• 2 建立线性模型

  • 随机初始化W1和b1
  • y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b
• 3 确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差
• 4 梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）

4 实现完整功能

import tensorflow as tf
import os

def linear_regression():
    """
    自实现线性回归
    :return: None
    """
    # 1）准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本
    # 特征值X, 目标值y_true
    X = tf.random_normal(shape=(100, 1), mean=2, stddev=2)
    # y_true [100, 1]
    # 矩阵运算 X（100， 1）* （1, 1）= y_true(100, 1)
    y_true = tf.matmul(X, [[0.8]]) + 0.7
    # 2）建立线性模型：
    # y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b
    # 3）随机初始化W1和b1
    weights = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)))
    bias = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)))
    y_predict = tf.matmul(X, weights) + bias
    # 4）确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差
    error = tf.reduce_mean(tf.square(y_predict - y_true))
    # 5）梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）
    # W2 = W1 - 学习率*(方向)
    # b2 = b1 - 学习率*(方向)
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01).minimize(error)

    # 初始化变量
    init = tf.global_variables_initializer()
    # 开启会话进行训练
    with tf.Session() as sess:
        # 运行初始化变量Op
        sess.run(init)
        print("随机初始化的权重为%f， 偏置为%f" % (weights.eval(), bias.eval()))
        # 训练模型
        for i in range(100):
            sess.run(optimizer)
            print("第%d步的误差为%f，权重为%f， 偏置为%f" % (i, error.eval(), weights.eval(), bias.eval()))

    return None

6 变量的trainable设置观察

trainable的参数作用，指定是否训练

weight = tf.Variable(tf.random_normal([1, 1], mean=0.0, stddev=1.0), name="weights", trainable=False)

2.7.3 增加其他功能

• 增加命名空间
• 命令行参数设置

2 增加命名空间

是代码结构更加清晰，Tensorboard图结构清楚

with tf.variable_scope("lr_model"):

def linear_regression():
    # 1）准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本
    # 特征值X, 目标值y_true
    with tf.variable_scope("original_data"):
        X = tf.random_normal(shape=(100, 1), mean=2, stddev=2, name="original_data_x")
        # y_true [100, 1]
        # 矩阵运算 X（100， 1）* （1, 1）= y_true(100, 1)
        y_true = tf.matmul(X, [[0.8]], name="original_matmul") + 0.7
    # 2）建立线性模型：
    # y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b
    # 3）随机初始化W1和b1
    with tf.variable_scope("linear_model"):
        weights = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="weights")
        bias = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="bias")
        y_predict = tf.matmul(X, weights, name="model_matmul") + bias
    # 4）确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差
    with tf.variable_scope("loss"):
        error = tf.reduce_mean(tf.square(y_predict - y_true), name="error_op")
    # 5）梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）
    # W2 = W1 - 学习率*(方向)
    # b2 = b1 - 学习率*(方向)
    with tf.variable_scope("gd_optimizer"):
        optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01, name="optimizer").minimize(error)

    # 2）收集变量
    tf.summary.scalar("error", error)
    tf.summary.histogram("weights", weights)
    tf.summary.histogram("bias", bias)

    # 3）合并变量
    merge = tf.summary.merge_all()

    # 初始化变量
    init = tf.global_variables_initializer()
    # 开启会话进行训练
    with tf.Session() as sess:
        # 运行初始化变量Op
        sess.run(init)
        print("随机初始化的权重为%f， 偏置为%f" % (weights.eval(), bias.eval()))
        # 1）创建事件文件
        file_writer = tf.summary.FileWriter(logdir="./summary", graph=sess.graph)
        # 训练模型
        for i in range(100):
            sess.run(optimizer)
            print("第%d步的误差为%f，权重为%f， 偏置为%f" % (i, error.eval(), weights.eval(), bias.eval()))
            # 4）运行合并变量op
            summary = sess.run(merge)
            file_writer.add_summary(summary, i)

    return None

3 模型的保存与加载

• tf.train.Saver(var_list=None,max_to_keep=5)

  • 保存和加载模型（保存文件格式：checkpoint文件）
  • 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。）

使用

例如：
指定目录+模型名字
saver.save(sess, '/tmp/ckpt/test/myregression.ckpt')
saver.restore(sess, '/tmp/ckpt/test/myregression.ckpt')

如要判断模型是否存在，直接指定目录

checkpoint = tf.train.latest_checkpoint("./tmp/model/")

saver.restore(sess, checkpoint)

4 命令行参数使用

• 1、图片无法加载
• 2、 tf.app.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

• 3、通过tf.app.run()启动main(argv)函数

  
  
# 定义一些常用的命令行参数
  
  
  
  
# 训练步数
  
  
tf.app.flags.DEFINE_integer("max_step", 0, "训练模型的步数")
  
  
# 定义模型的路径
  
  
tf.app.flags.DEFINE_string("model_dir", " ", "模型保存的路径+模型名字")

  
  
# 定义获取命令行参数
  
  
FLAGS = tf.app.flags.FLAGS

  
  
# 开启训练
  
  
  
  
# 训练的步数（依据模型大小而定）
  
  
for i in range(FLAGS.max_step):
     sess.run(train_op)

完整代码

import tensorflow as tf
import os

tf.app.flags.DEFINE_string("model_path", "./linear_regression/", "模型保存的路径和文件名")
FLAGS = tf.app.flags.FLAGS


def linear_regression():
    # 1）准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本
    # 特征值X, 目标值y_true
    with tf.variable_scope("original_data"):
        X = tf.random_normal(shape=(100, 1), mean=2, stddev=2, name="original_data_x")
        # y_true [100, 1]
        # 矩阵运算 X（100， 1）* （1, 1）= y_true(100, 1)
        y_true = tf.matmul(X, [[0.8]], name="original_matmul") + 0.7
    # 2）建立线性模型：
    # y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b
    # 3）随机初始化W1和b1
    with tf.variable_scope("linear_model"):
        weights = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="weights")
        bias = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="bias")
        y_predict = tf.matmul(X, weights, name="model_matmul") + bias
    # 4）确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差
    with tf.variable_scope("loss"):
        error = tf.reduce_mean(tf.square(y_predict - y_true), name="error_op")
    # 5）梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）
    # W2 = W1 - 学习率*(方向)
    # b2 = b1 - 学习率*(方向)
    with tf.variable_scope("gd_optimizer"):
        optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01, name="optimizer").minimize(error)

    # 2）收集变量
    tf.summary.scalar("error", error)
    tf.summary.histogram("weights", weights)
    tf.summary.histogram("bias", bias)

    # 3）合并变量
    merge = tf.summary.merge_all()

    # 初始化变量
    init = tf.global_variables_initializer()

    # 开启会话进行训练
    with tf.Session() as sess:
        # 运行初始化变量Op
        sess.run(init)
        # 未经训练的权重和偏置
        print("随机初始化的权重为%f， 偏置为%f" % (weights.eval(), bias.eval()))
        # 当存在checkpoint文件，就加载模型

        # 1）创建事件文件
        file_writer = tf.summary.FileWriter(logdir="./summary", graph=sess.graph)
        # 训练模型
        for i in range(100):
            sess.run(optimizer)
            print("第%d步的误差为%f，权重为%f， 偏置为%f" % (i, error.eval(), weights.eval(), bias.eval()))
            # 4）运行合并变量op
            summary = sess.run(merge)
            file_writer.add_summary(summary, i)

    return None


def main(argv):
    print("这是main函数")
    print(argv)
    print(FLAGS.model_path)
    linear_regression()

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

作业：将面向过程改为面向对象

参考代码

  
  
# 用tensorflow自实现一个线性回归案例
  
  

  
  
# 定义一些常用的命令行参数
  
  
  
  
# 训练步数
  
  
tf.app.flags.DEFINE_integer("max_step", 0, "训练模型的步数")
  
  
# 定义模型的路径
  
  
tf.app.flags.DEFINE_string("model_dir", " ", "模型保存的路径+模型名字")

FLAGS = tf.app.flags.FLAGS

class MyLinearRegression(object):
    """
    自实现线性回归
    """
    def __init__(self):
        pass

    def inputs(self):
        """
        获取特征值目标值数据数据
        :return:
        """
        x_data = tf.random_normal([100, 1], mean=1.0, stddev=1.0, name="x_data")
        y_true = tf.matmul(x_data, [[0.7]]) + 0.8

        return x_data, y_true

    def inference(self, feature):
        """
        根据输入数据建立模型
        :param feature:
        :param label:
        :return:
        """
        with tf.variable_scope("linea_model"):
            # 2、建立回归模型，分析别人的数据的特征数量--->权重数量， 偏置b
            # 由于有梯度下降算法优化，所以一开始给随机的参数，权重和偏置
            # 被优化的参数，必须得使用变量op去定义
            # 变量初始化权重和偏置
            # weight 2维[1, 1]    bias [1]
            # 变量op当中会有trainable参数决定是否训练
            self.weight = tf.Variable(tf.random_normal([1, 1], mean=0.0, stddev=1.0),
                                 name="weights")

            self.bias = tf.Variable(0.0, name='biases')

            # 建立回归公式去得出预测结果
            y_predict = tf.matmul(feature, self.weight) + self.bias

        return y_predict

    def loss(self, y_true, y_predict):
        """
        目标值和真实值计算损失
        :return: loss
        """
        # 3、求出我们模型跟真实数据之间的损失
        # 均方误差公式
        loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_true - y_predict))

        return loss

    def merge_summary(self, loss):

        # 1、收集张量的值
        tf.summary.scalar("losses", loss)

        tf.summary.histogram("w", self.weight)
        tf.summary.histogram('b', self.bias)

        # 2、合并变量
        merged = tf.summary.merge_all()

        return merged

    def sgd_op(self, loss):
        """
        获取训练OP
        :return:
        """
        # 4、使用梯度下降优化器优化
        # 填充学习率：0 ~ 1    学习率是非常小，
        # 学习率大小决定你到达损失一个步数多少
        # 最小化损失
        train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)

        return train_op

    def train(self):
        """
        训练模型
        :param loss:
        :return:
        """

        g = tf.get_default_graph()

        with g.as_default():

            x_data, y_true = self.inputs()

            y_predict = self.inference(x_data)

            loss = self.loss(y_true, y_predict)

            train_op = self.sgd_op(loss)

            # 收集观察的结果值
            merged = self.merge_summary(loss)

            saver = tf.train.Saver()

            with tf.Session() as sess:

                sess.run(tf.global_variables_initializer())

                # 在没训练，模型的参数值
                print("初始化的权重：%f, 偏置：%f" % (self.weight.eval(), self.bias.eval()))

                # 开启训练
                # 训练的步数（依据模型大小而定）
                for i in range(FLAGS.max_step):

                    sess.run(train_op)

                    # 生成事件文件，观察图结构
                    file_writer = tf.summary.FileWriter("./tmp/summary/", graph=sess.graph)

                    print("训练第%d步之后的损失:%f, 权重：%f, 偏置：%f" % (
                        i,
                        loss.eval(),
                        self.weight.eval(),
                        self.bias.eval()))

                    # 运行收集变量的结果
                    summary = sess.run(merged)

                    # 添加到文件
                    file_writer.add_summary(summary, i)


if __name__ == '__main__':
    lr = MyLinearRegression()
    lr.train()

未完待续， 同学们请等待下一期

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