前言
鳶尾花識別是學習AI入門的案例,這裏和大家分享下使用Tensorflow 2框架,編寫程序,獲取鳶尾花數據,搭建神經網絡,最後訓練和識別鳶尾花。
目錄
鳶尾花識別——思路流程:
1)獲取鳶尾花數據,分析處理。
2)整理數據位訓練集,測試集。
3)搭建神經網絡模型。
4)訓練網絡,優化網絡模型參數。
5)保存最優的模型,進行鳶尾花識別。
認識鳶尾花
我們先認識下什麼是鳶尾花?
鳶尾花分類:狗尾草鳶尾、雜色鳶尾、弗吉尼亞鳶尾
鳶尾花的特徵是什麼呢?
鳶尾花花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬。我們通過對數據進行分析總結出了規律:通過測量花的花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬,可以得出鳶尾花的類別(如:花萼長>花萼寬且花瓣長/花瓣寬>2 ,則雜色鳶尾)
獲取鳶尾花數據
4 個屬性作爲輸入特徵:花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬 ;
類別作爲標籤,0 代表狗尾草鳶尾,1 代表雜色鳶尾,2 代表弗吉尼亞鳶尾。
iris數據集 即鳶尾花數據。x_data 存放 iris數據集所有輸入特徵(4 種);y_data存放 iris數據集所有標籤(3種)
from sklearn import datasets
from pandas import DataFrame
import pandas as pd
x_data = datasets.load_iris().data # .data返回iris數據集所有輸入特徵
y_data = datasets.load_iris().target # .target返回iris數據集所有標籤
print("x_data from datasets: \n", x_data)
print("y_data from datasets: \n", y_data)
x_data = DataFrame(x_data, columns=['花萼長度', '花萼寬度', '花瓣長度', '花瓣寬度']) # 爲表格增加行索引(左側)和列標籤(上方)
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True) # 設置列名對齊
print("x_data add index: \n", x_data)
x_data['類別'] = y_data # 新加一列,列標籤爲‘類別’,數據爲y_data
print("x_data add a column: \n", x_data)
在sklearn庫中,x_data,y_data的原始數據:
在x_data[ ]數據中,新加一列,列標籤爲‘類別’,數據爲y_data:
整理數據爲訓練集,測試集
把輸入特徵 和 標籤 做成數據對,即每一行輸入特徵有與之對應的類別;得出一共150行數據;其中75%作爲訓練集,即120行;25%作爲測試集,即後30行。
注意:訓練集和測試集,沒有交集,它們之間都沒有一樣的數據。
# 導入所需模塊
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
# 導入數據,分別爲輸入特徵和標籤
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
# 隨機打亂數據(因爲原始數據是順序的,順序不打亂會影響準確率)
# seed: 隨機數種子,是一個整數,當設置之後,每次生成的隨機數都一樣(爲方便教學,以保每位同學結果一致)
np.random.seed(116) # 使用相同的seed,保證輸入特徵和標籤一一對應
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 將打亂後的數據集分割爲訓練集和測試集,訓練集爲前120行,測試集爲後30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 轉換x的數據類型,否則後面矩陣相乘時會因數據類型不一致報錯
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函數使輸入特徵和標籤值一一對應。(把數據集分批次,每個批次batch組數據)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
爲了訓練更高效,通常會把數據變成batch(包),例如,把32行數據爲一個小包batch。
搭建神經網絡模型
從數據中分析出,有4個輸入特徵,所以輸入層有4個節點;鳶尾花3種類別,所以輸出層有3個節點. 我們需要初始化網絡中的參數(權值、偏置)。
通過前向傳播計算,即從輸入層到輸出層迭代計算,預測出是那個類別的鳶尾花,對比是否預測正確(通過損失函數計算出 預測值和真實值的偏差,這個偏差越小代表預測越接近真實;最終選擇最優的參數)。
輸入層和輸出層之間的映射關係接近正確的,模型基本訓練好了。
即所有的輸入 x 乘以各自線上的權重 w 求和加上偏置項 b 得到輸出 y 。
輸出 y 中,1.01 代表 0 類鳶尾得分,2.01 代表 1 類鳶尾得分,-0.66 代表 2 類鳶尾得分。通過輸出 y 可以看出數值最大(可能性最高)的是 1 類鳶尾,而5不是標籤 0 類鳶尾。這是由於最初的參數 w 和 b 是隨機產生的,現在輸出的結果是不準確的。
爲了修正這一結果,我們用 損失函數,定義預測值 y 和標準答案(標籤)_y 的差距,損失函數可以定量的判斷當前這組參數 w 和 b 的優劣,當損失函數最小時,即可得到最優 w 的值和 b 的值。
損失函數,其目的是尋找一組參數 w 和 b 使得損失函數最小。爲達成這一目的,我們採用梯度下降的方法。
損失函數的梯度 表示損失函數對各參數求偏導後的向量,損失函數梯度下降的方向,就是是損失函數減小的方向。梯度下降法即沿着損失函數梯度下降的方向,尋找損失函數的最小值,從而得到最優的參數。
梯度下降的直觀解釋:(來自:https://www.cnblogs.com/pinard/p/5970503.html)
首先來看看梯度下降的一個直觀的解釋。比如我們在一座大山上的某處位置,由於我們不知道怎麼下山,於是決定走一步算一步,也就是在每走到一個位置的時候,求解當前位置的梯度,沿着梯度的負方向,也就是當前最陡峭的位置向下走一步,然後繼續求解當前位置梯度,向這一步所在位置沿着最陡峭最易下山的位置走一步。這樣一步步的走下去,一直走到覺得我們已經到了山腳。當然這樣走下去,有可能我們不能走到山腳,而是到了某一個局部的山峯低處。
從上面的解釋可以看出,梯度下降不一定能夠找到全局的最優解,有可能是一個局部最優解。當然,如果損失函數是凸函數,梯度下降法得到的解就一定是全局最優解。
梯度下降參考:https://www.jianshu.com/p/c7e642877b0e
鳶尾花識別 完整代碼:
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 利用鳶尾花數據集,實現前向傳播、反向傳播,可視化loss曲線
# 導入所需模塊
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
# 導入數據,分別爲輸入特徵和標籤
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
# 隨機打亂數據(因爲原始數據是順序的,順序不打亂會影響準確率)
# seed: 隨機數種子,是一個整數,當設置之後,每次生成的隨機數都一樣(爲方便教學,以保每位同學結果一致)
np.random.seed(116) # 使用相同的seed,保證輸入特徵和標籤一一對應
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 將打亂後的數據集分割爲訓練集和測試集,訓練集爲前120行,測試集爲後30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 轉換x的數據類型,否則後面矩陣相乘時會因數據類型不一致報錯
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函數使輸入特徵和標籤值一一對應。(把數據集分批次,每個批次batch組數據)
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
# 生成神經網絡的參數,4個輸入特徵故,輸入層爲4個輸入節點;因爲3分類,故輸出層爲3個神經元
# 用tf.Variable()標記參數可訓練
# 使用seed使每次生成的隨機數相同(方便教學,使大家結果都一致,在現實使用時不寫seed)
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))
lr = 0.1 # 學習率爲0.1
train_loss_results = [] # 將每輪的loss記錄在此列表中,爲後續畫loss曲線提供數據
test_acc = [] # 將每輪的acc記錄在此列表中,爲後續畫acc曲線提供數據
epoch = 500 # 循環500輪
loss_all = 0 # 每輪分4個step,loss_all記錄四個step生成的4個loss的和
# 訓練部分
for epoch in range(epoch): #數據集級別的循環,每個epoch循環一次數據集
for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db): #batch級別的循環 ,每個step循環一個batch
with tf.GradientTape() as tape: # with結構記錄梯度信息
y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神經網絡乘加運算
y = tf.nn.softmax(y) # 使輸出y符合概率分佈(此操作後與獨熱碼同量級,可相減求loss)
y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 將標籤值轉換爲獨熱碼格式,方便計算loss和accuracy
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 採用均方誤差損失函數mse = mean(sum(y-out)^2)
loss_all += loss.numpy() # 將每個step計算出的loss累加,爲後續求loss平均值提供數據,這樣計算的loss更準確
# 計算loss對各個參數的梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
# 實現梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad b = b - lr * b_grad
w1.assign_sub(lr * grads[0]) # 參數w1自更新
b1.assign_sub(lr * grads[1]) # 參數b自更新
# 每個epoch,打印loss信息
print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all/4))
train_loss_results.append(loss_all / 4) # 將4個step的loss求平均記錄在此變量中
loss_all = 0 # loss_all歸零,爲記錄下一個epoch的loss做準備
# 測試部分
# total_correct爲預測對的樣本個數, total_number爲測試的總樣本數,將這兩個變量都初始化爲0
total_correct, total_number = 0, 0
for x_test, y_test in test_db:
# 使用更新後的參數進行預測
y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引,即預測的分類
# 將pred轉換爲y_test的數據類型
pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
# 若分類正確,則correct=1,否則爲0,將bool型的結果轉換爲int型
correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
# 將每個batch的correct數加起來
correct = tf.reduce_sum(correct)
# 將所有batch中的correct數加起來
total_correct += int(correct)
# total_number爲測試的總樣本數,也就是x_test的行數,shape[0]返回變量的行數
total_number += x_test.shape[0]
# 總的準確率等於total_correct/total_number
acc = total_correct / total_number
test_acc.append(acc)
print("Test_acc:", acc)
print("--------------------------")
# 繪製 loss 曲線
plt.title('Loss Function Curve') # 圖片標題
plt.xlabel('Epoch') # x軸變量名稱
plt.ylabel('Loss') # y軸變量名稱
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$") # 逐點畫出trian_loss_results值並連線,連線圖標是Loss
plt.legend() # 畫出曲線圖標
plt.show() # 畫出圖像
# 繪製 Accuracy 曲線
plt.title('Acc Curve') # 圖片標題
plt.xlabel('Epoch') # x軸變量名稱
plt.ylabel('Acc') # y軸變量名稱
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$") # 逐點畫出test_acc值並連線,連線圖標是Accuracy
plt.legend()
plt.show()
訓練過程,一共迭代500次,最後得出 loss: 0.032300274819135666 Test_acc: 1.0
隨着迭代次數的增加,損失率(預估值和真實值的偏差)在減少;準確率在不多提高,最終到達100%(即:1)
本博客參考:北京大學 課程“人工智能實踐:Tensorflow筆記”;