在上篇文章中，我們已經把AI的基礎環境搭建好了（見文章：Ubuntu + conda + tensorflow + GPU + pycharm搭建AI基礎環境），接下來將基於tensorflow訓練第一個AI模型：MNIST手寫數字識別模型。
MNIST是一個經典的手寫數字數據集，來自美國國家標準與技術研究所，由不同人手寫的0至9的數字構成，由60000個訓練樣本集和10000個測試樣本集構成，每個樣本的尺寸爲28x28，以二進制格式存儲，如下圖所示：
MNIST手寫數字識別模型的主要任務是：輸入一張手寫數字的圖像，然後識別圖像中手寫的是哪個數字。
該模型的目標明確、任務簡單，數據集規範、統一，數據量大小適中，在普通的PC電腦上都能訓練和識別，堪稱是深度學習領域的“Hello World!”，學習AI的入門必備模型。
0、AI建模主要步驟
在構建AI模型時，一般有以下主要步驟：準備數據、數據預處理、劃分數據集、配置模型、訓練模型、評估優化、模型應用，如下圖所示：
下面將按照主要步驟進行介紹。
【注意】由於MNIST數據集太經典了，很多深度學習書籍在介紹該入門模型案例時，基本上就是直接下載獲取數據，然後就進行模型訓練，最後得出一個準確率出來。但這樣的入門案例學習後，當要拿自己的數據來訓練模型，卻往往不知該如何處理數據、如何訓練、如何應用。在本文，將分兩種情況進行介紹：（1）使用MNIST數據（本案例），（2）使用自己的數據。
下面將針對模型訓練的各個主要環節進行介紹，便於讀者快速遷移去訓練自己的數據模型。
1、準確數據
準備數據是訓練模型的第一步，基礎數據可以是網上公開的數據集，也可以是自己的數據集。視覺、語音、語言等各種類型的數據在網上都能找到相應的數據集。
（1）使用MNIST數據（本案例）
MNIST數據集由於非常經典，已集成在tensorflow裏面，可以直接加載使用，也可以從MNIST的官網上（http://yann.lecun.com/exdb/mnist/） 直接下載數據集，代碼如下：
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
# 數據集路徑
data_dir='/home/roger/data/work/tensorflow/data/mnist'
# 自動下載 MNIST 數據集
mnist = input_data.read_data_sets(data_dir, one_hot=True)
# 如果自動下載失敗，則手工從官網上下載 MNIST 數據集，然後進行加載
# 下載地址 http://yann.lecun.com/exdb/mnist/
#mnist=input_data.read_data_sets(data_dir,one_hot=True)
集成或下載的MNIST數據集已經是打好標籤了，直接使用就行。
（2）使用自己的數據
如果是使用自己的數據集，在準備數據時的重要工作是“標註數據”，也就是對數據進行打標籤，主要的標註方式有：
① 整個文件打標籤。例如MNIST數據集，每個圖像只有1個數字，可以從0至9建10個文件夾，裏面放相應數字的圖像；也可以定義一個規則對圖像進行命名，如按標籤+序號命名；還可以在數據庫裏面創建一張對應表，存儲文件名與標籤之間的關聯關係。如下圖：
② 圈定區域打標籤。例如ImageNet的物體識別數據集，由於每張圖片上有各種物體，這些物體位於不同位置，因此需要圈定某個區域進行標註，目前比較流行的是VOC2007、VOC2012數據格式，這是使用xml文件保存圖片中某個物體的名稱（name）和位置信息（xmin,ymin,xmax,ymax）。
如果圖片很多，一張一張去計算位置信息，然後編寫xml文件，實在是太耗時耗力了。所幸，有一位大神開源了一個數據標註工具labelImg（https://github.com/tzutalin/labelImg），只要在界面上畫框標註，就能自動生成VOC格式的xml文件了，非常方便，如下圖所示：
③ 數據截段打標籤。針對語音識別、文字識別等，有些是將數據截成一段一段的語音或句子，然後在另外的文件中記錄對應的標籤信息。
2、數據預處理
在準備好基礎數據之後，需要根據模型需要對基礎數據進行相應的預處理。
（1）使用MNIST數據（本案例）
由於MNIST數據集的尺寸統一，只有黑白兩種像素，無須再進行額外的預處理，直接拿來建模型就行。
（2）使用自己的數據
而如果是要訓練自己的數據，根據模型需要一般要進行以下預處理：
a. 統一格式：即統一基礎數據的格式，例如圖像數據集，則全部統一爲jpg格式；語音數據集，則全部統一爲wav格式；文字數據集，則全部統一爲UTF-8的純文本格式等，方便模型的處理；
b. 調整尺寸：根據模型的輸入要求，將樣本數據全部調整爲統一尺寸。例如LeNet模型是32x32，AlexNet是224x224，VGG是224x224等；
c. 灰度化：根據模型需要，有些要求輸入灰度圖像，有些要求輸入RGB彩色圖像；
d. 去噪平滑：爲提升輸入圖像的質量，對圖像進行去噪平滑處理，可使用中值濾波器、高斯濾波器等進行圖像的去噪處理。如果訓練數據集的圖像質量很好了，則無須作去噪處理；
e. 其它處理：根據模型需要進行直方圖均衡化、二值化、腐蝕、膨脹等相關的處理；
f. 樣本增強：有一種觀點認爲神經網絡是靠數據喂出來的，如果能夠增加訓練數據的樣本量，提供海量數據進行訓練，則能夠有效提升算法的質量。常見的樣本增強方式有：水平翻轉圖像、隨機裁剪、平移變換，顏色、光照變換等，如下圖所示：
3、劃分數據集
在訓練模型之前，需要將樣本數據劃分爲訓練集、測試集，有些情況下還會劃分爲訓練集、測試集、驗證集。
（1）使用MNIST數據（本案例）
本案例要訓練模型的MNIST數據集，已經提供了訓練集、測試集，代碼如下：
# 提取訓練集、測試集
train_xdata = mnist.train.images
test_xdata = mnist.test.images
# 提取標籤數據
train_labels = mnist.train.labels
test_labels = mnist.test.labels
（2）使用自己的數據
如果是要劃分自己的數據集，可使用scikit-learn工具進行劃分，代碼如下：
from sklearn.cross_validation import train_test_split
# 隨機選取75%的數據作爲訓練樣本，其餘25%的數據作爲測試樣本
# X_data：數據集
# y_labels：數據集對應的標籤
X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X_data,y_labels,test_size=0.25,random_state=33)
4、配置模型
接下來是選擇模型、配置模型參數，建議先閱讀深度學習經典模型的文章（見文章：大話卷積神經網絡模型），便於快速掌握深度學習模型的相關知識。
（1）選擇模型
本案例將採用LeNet模型來訓練MNIST手寫數字模型，LeNet是一個經典卷積神經網絡模型，結構簡單，針對MNIST這種簡單的數據集可達到比較好的效果，LeNet模型的原理介紹請見文章（大話CNN經典模型：LeNet），網絡結構圖如下：
（2）設置參數
在訓練模型時，一般要設置的參數有：
step_cnt=10000 # 訓練模型的迭代步數
batch_size = 100 # 每次迭代批量取樣本數據的量
learning_rate = 0.001 # 學習率
除此之外還有卷積層權重和偏置、池化層權重、全聯接層權重和偏置、優化函數等等，根據模型需要進行設置。
5、訓練模型
接下來便是根據選擇好的模型，構建網絡，然後開始訓練。
（1）構建模型
本案例按照LeNet的網絡模型結構，構建網絡模型，網絡結果如下
代碼如下：
# 訓練數據，佔位符
x = tf.placeholder("float", shape=[None, 784])
# 訓練的標籤數據，佔位符
y_ = tf.placeholder("float", shape=[None, 10])
# 將樣本數據轉爲28x28
x_image = tf.reshape(x, [-1, 28, 28, 1])
# 保留概率，用於 dropout 層
keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
# 第一層：卷積層
# 卷積核尺寸爲5x5，通道數爲1，深度爲32，移動步長爲1，採用ReLU激勵函數
conv1_weights = tf.get_variable("conv1_weights", [5, 5, 1, 32], initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
conv1_biases = tf.get_variable("conv1_biases", [32], initializer=tf.constant_initializer(0.0))
conv1 = tf.nn.conv2d(x_image, conv1_weights, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
relu1 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv1, conv1_biases))
# 第二層：最大池化層
# 池化核的尺寸爲2x2，移動步長爲2，使用全0填充
pool1 = tf.nn.max_pool(relu1, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
# 第三層：卷積層
# 卷積核尺寸爲5x5，通道數爲32，深度爲64，移動步長爲1，採用ReLU激勵函數
conv2_weights = tf.get_variable("conv2_weights", [5, 5, 32, 64], initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
conv2_biases = tf.get_variable("conv2_biases", [64], initializer=tf.constant_initializer(0.0))
conv2 = tf.nn.conv2d(pool1, conv2_weights, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
relu2 = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv2, conv2_biases))
# 第四層：最大池化層
# 池化核尺寸爲2x2, 移動步長爲2，使用全0填充
pool2 = tf.nn.max_pool(relu2, ksize=[1, 2, 2, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')
# 第五層：全連接層
fc1_weights = tf.get_variable("fc1_weights", [7 * 7 * 64, 1024],
initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
fc1_baises = tf.get_variable("fc1_baises", [1024], initializer=tf.constant_initializer(0.1))
pool2_vector = tf.reshape(pool2, [-1, 7 * 7 * 64])
fc1 = tf.nn.relu(tf.matmul(pool2_vector, fc1_weights) + fc1_baises)
# Dropout層（即按keep_prob的概率保留數據，其它丟棄），以防止過擬合
fc1_dropout = tf.nn.dropout(fc1, keep_prob)
# 第六層：全連接層
fc2_weights = tf.get_variable("fc2_weights", [1024, 10],
initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1)) # 神經元節點數1024, 分類節點10
fc2_biases = tf.get_variable("fc2_biases", [10], initializer=tf.constant_initializer(0.1))
fc2 = tf.matmul(fc1_dropout, fc2_weights) + fc2_biases
# 第七層：輸出層
y_conv = tf.nn.softmax(fc2)
（2）訓練模型
在訓練模型時，需要選擇優化器，也就是說要告訴模型以什麼策略來提升模型的準確率，一般是選擇交叉熵損失函數，然後使用優化器在反向傳播時最小化損失函數，從而使模型的質量在不斷迭代中逐步提升。
代碼如下：
# 定義交叉熵損失函數
# y_ 爲真實標籤
cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y_conv), reduction_indices=[1]))
# 選擇優化器，使優化器最小化損失函數
train_step = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(cross_entropy)
# 返回模型預測的最大概率的結果，並與真實值作比較
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y_conv, 1), tf.argmax(y_, 1))
# 用平均值來統計測試準確率
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
# 訓練模型
saver=tf.train.Saver()
with tf.Session() as sess:
tf.global_variables_initializer().run()
for step in range(step_cnt):
batch = mnist.train.next_batch(batch_size)
if step % 100 == 0:
# 每迭代100步進行一次評估，輸出結果，保存模型，便於及時瞭解模型訓練進展
train_accuracy = accuracy.eval(feed_dict={x: batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 1.0})
print("step %d, training accuracy %g" % (step, train_accuracy))
saver.save(sess,model_dir+'/my_mnist_model.ctpk',global_step=step)
train_step.run(feed_dict={x: batch[0], y_: batch[1], keep_prob: 0.8})
# 使用測試數據測試準確率
print("test accuracy %g" % accuracy.eval(feed_dict={x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels, keep_prob: 1.0}))
訓練的結果如下，由於MNIST數據集比較簡單，模型訓練很快就達到99%的準確率，如下圖所示：
模型訓練後保存的結果如下圖所示：
6、評估優化
在使用訓練數據完成模型的訓練之後，再使用測試數據進行測試，瞭解模型的泛化能力，代碼如下
# 使用測試數據測試準確率
test_acc=accuracy.eval(feed_dict={x: test_xdata, y_: test_labels, keep_prob: 1.0})
print("test accuracy %g" %test_acc)
模型測試結果如下：
7、模型應用
模型訓練完成後，將模型保存起來，當要實際應用時，則通過加載模型，輸入圖像進行應用。代碼如下：
# 加載 MNIST 模型
saver = tf.train.Saver()
with tf.Session() as sess:
saver.restore(sess, tf.train.latest_checkpoint(model_dir))
# 隨機提取 MNIST 測試集的一個樣本數據和標籤
test_len=len(mnist.test.images)
test_idx=random.randint(0,test_len-1)
x_image=mnist.test.images[test_idx]
y=np.argmax(mnist.test.labels[test_idx])
# 跑模型進行識別
y_conv = tf.argmax(y_conv,1)
pred=sess.run(y_conv,feed_dict={x:[x_image], keep_prob: 1.0})
print('正確：',y,'，預測：',pred[0])
使用模型進行測試的結果如下圖：
至此，一個完整的模型訓練和應用的過程就介紹完了。
接下來還會有更多AI實戰的精彩內容，敬請期待！
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