基于TensorFlow深度學(xué)習(xí)的Minist手寫數(shù)字識(shí)別技術(shù)*

祝永志，張彩廷

（曲阜師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 日照 276826）

0 引 言

信息時(shí)代的到來(lái)，使得人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等學(xué)科飛速發(fā)展，出現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)，并迅速滲入各個(gè)領(lǐng)域。信息傳輸過(guò)程中，為更加方便快捷地傳輸，信息種類已不局限于文字，圖片和語(yǔ)音也成為重要的類別。所以，模式識(shí)別技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)方面。其中，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行手寫數(shù)字識(shí)別成為一個(gè)研究的典型案例。

對(duì)于手寫數(shù)字識(shí)別的方法有多種，如統(tǒng)計(jì)決策法、模糊判別法、句法結(jié)構(gòu)法、模板匹配法以及邏輯推理法等。但是，以上方法都存在提取特征值困難的問(wèn)題，識(shí)別效果不佳。深度學(xué)習(xí)的思路，使得該問(wèn)題得到了較好解決[1]。

深度學(xué)習(xí)是由機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的，最早提出于2006年。它的思路為通過(guò)建立類似于人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)使用電腦模擬人腦的學(xué)習(xí)分析行為。

傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)需要為其定義一些特征，然后通過(guò)大量的數(shù)據(jù)對(duì)這些特征進(jìn)行識(shí)別和比較來(lái)完成分類訓(xùn)練，從而利用訓(xùn)練學(xué)習(xí)到的模型對(duì)采集到的特征集進(jìn)行識(shí)別預(yù)測(cè)其類別。深度學(xué)習(xí)不需要人為定義特征，只要輸入需要其學(xué)習(xí)的事物，它會(huì)自動(dòng)提取其認(rèn)為重要的特征，是一種特殊的機(jī)器學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)通過(guò)學(xué)習(xí)將世界表示為概念的嵌套層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)概念都與更簡(jiǎn)單的概念定義，而更抽象的表示則用不那么抽象的概念來(lái)計(jì)算。

深度學(xué)習(xí)中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）是第一個(gè)較為符合其定義的模型，實(shí)現(xiàn)了建立多層結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)[2]。在圖像識(shí)別問(wèn)題中，即通過(guò)多層結(jié)構(gòu)不斷降低該數(shù)據(jù)量龐大問(wèn)題的維度，以使其能夠被訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

本文針對(duì)Minist手寫數(shù)字識(shí)別問(wèn)題，介紹了Softmax模型和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的激活函數(shù)進(jìn)行了分析，最后通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)模型的實(shí)現(xiàn)，對(duì)模型識(shí)別效果進(jìn)行了比較和分析。

1 TensorFlow平臺(tái)

TensorFlow[3]是人工智能中的第二代學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在2015年由Google發(fā)布并開(kāi)源。運(yùn)行原理為N維數(shù)據(jù)從流圖的一端流動(dòng)到另一端，將大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)作為輸入，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和學(xué)習(xí)，完成對(duì)數(shù)據(jù)中特征的提取學(xué)習(xí)和其類別的劃分，訓(xùn)練出需要的模型以用于以后的預(yù)測(cè)。它的計(jì)算可以表示為一個(gè)有向圖[4]，圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都表示一個(gè)運(yùn)算操作，操作間以邊連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有任意個(gè)輸入和輸出。如圖1所示，M和Y作為MatMul運(yùn)算操作的輸入，有將該運(yùn)算結(jié)果的輸出和b作為Add操作的輸入，并將其結(jié)果作為后來(lái)ReLU運(yùn)算操作的輸入，隨后將其結(jié)果和其他輸入經(jīng)過(guò)若干步操作后得到輸出結(jié)果C。

圖1 TensorFlow有向圖

TensorFlow平臺(tái)得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)槠湎啾扔谄渌髁鞯膶W(xué)習(xí)框架支持更多開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，如支持Python、C、C++等，較容易實(shí)現(xiàn)算法在不同系統(tǒng)上的移植。在目前的TensorFlow資源庫(kù)中已經(jīng)支持線性回歸、深度學(xué)習(xí)以及邏輯回歸等[5]各種常用算法，易于調(diào)用，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

通過(guò)TensorFlow平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)需要經(jīng)過(guò)以下步驟。

（1）創(chuàng)建圖。TensorFlow面對(duì)所有的任務(wù)都需要將其轉(zhuǎn)化為圖的形式表示才能進(jìn)行計(jì)算，所以有任務(wù)輸入就需要為其創(chuàng)建圖。

（2）創(chuàng)建會(huì)話。第一步創(chuàng)建圖需要一個(gè)會(huì)話才能傳入到TensorFlow引擎，所以要為其創(chuàng)建會(huì)話，使任務(wù)進(jìn)入到TensorFlow引擎。

（3）啟動(dòng)圖。圖進(jìn)入TensorFlow引擎后，即此時(shí)可以啟動(dòng)任務(wù)，對(duì)變量進(jìn)行初始化和其他操作的運(yùn)行，以不斷更新變量的值。

（4）結(jié)束會(huì)話。

2 Softmax回歸模型

Softmax回歸模型是由解決二分類問(wèn)題的logistic回歸模型發(fā)展而成，是logistic回歸模型在多分類問(wèn)題上的推廣。

假設(shè)Logistics回歸的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集由{(x1,y1),(x2,y2),…,(xm,ym)}共m個(gè)標(biāo)記后的樣本構(gòu)成，其中的輸入特征為xi→Rn+1。因?yàn)樵撃Ｐ徒鉀Q的是二分類問(wèn)題，所以yi的取值只有{0,1}。假設(shè)函數(shù)被定義為：

參數(shù)θ要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練進(jìn)行確定，要使得定義的最小化損失函數(shù)最小化：

推廣到多分類問(wèn)題，則yi的取值不再只是{0,1}，yi可以取k個(gè)不同值，其訓(xùn)練集依舊為{(x1,y1),(x2,y2),…,(xm,ym)}共m個(gè)樣本，類別yi的取值集合為{1,2,3,…,k}。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，k不同，如MNIST數(shù)字識(shí)別案例中k=10。

Softmax模型依舊定義假設(shè)函數(shù)計(jì)算對(duì)于測(cè)試的輸入樣本x屬于每個(gè)類別j的估算概率，即p(y=j|x)。假設(shè)函數(shù)形式為：

該模型的損失函數(shù)定義形式為：

但是，該損失函數(shù)存在冗余參數(shù)，所以添加權(quán)值衰減來(lái)解決該問(wèn)題。添加權(quán)值衰減后的損失函數(shù)為：

此時(shí)，Softmax的損失函數(shù)為嚴(yán)格的凸函數(shù)，可以有唯一的解。利用梯度下降法或LBFGS算法等都可以得到全局最優(yōu)解。

最后，用矩陣的形式描述softmax回歸模型[6]：

當(dāng)測(cè)試集輸入時(shí)，Softmax模型即會(huì)按照式（6）估算每個(gè)樣本屬于各個(gè)類別的概率，然后按照概率大小預(yù)測(cè)其所屬類別。

3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本介紹

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各神經(jīng)元是分層排列的，且每個(gè)神經(jīng)元值域與上一層的神經(jīng)元相關(guān)，屬于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該種網(wǎng)絡(luò)一般采用多層連接方式，由輸入層、隱藏層以及輸出層組成基本結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于非線性處理和模式識(shí)別方面[7]。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是對(duì)大量的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)完成模型的訓(xùn)練，主要針對(duì)二維數(shù)據(jù)的處理找到輸入和輸出之間所蘊(yùn)含的關(guān)系[8]。單層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成包括卷積層、采樣層、Relu層和全連接層4 層[9]。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有3個(gè)重要特征——稀疏連接、權(quán)值共享和池采樣。通過(guò)這些特性可實(shí)現(xiàn)其位移識(shí)別、縮放以及扭曲的不變性。

3.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)分析

一般的CNN都包括卷積層和池化層。卷積層的每個(gè)神經(jīng)元會(huì)與上層的某個(gè)局部相連，目的是減少網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)存在，主要功能是完成特征的提取。池化層的主要功能是完成特征的映射，多個(gè)特征的映射關(guān)系會(huì)組成一個(gè)計(jì)算層。

除了上述兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)層，CNN還包括輸入層和輸出層，且在輸出層前還會(huì)包含全連接層，主要任務(wù)是連接所有的特征，將得到的結(jié)果送到分類器，以用于最后的輸出。

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，最先用于手寫字識(shí)別方面的是LeNet-5模型，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入和輸出之間的關(guān)系并不像普通的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。它們只能在大量的學(xué)習(xí)中建立之間的相互映射關(guān)系。但是，訓(xùn)練過(guò)程中計(jì)算量特別大，需要不斷重復(fù)訓(xùn)練來(lái)調(diào)整參數(shù)，使其通過(guò)“適應(yīng)”得到“記憶”[10]。

圖3 LeNet-5模型

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分為4步，每?jī)刹奖欢x為一個(gè)階段，具體如下。

（1）前向傳播階段

①取出訓(xùn)練樣本記為(X,Yp)，X被輸入到網(wǎng)絡(luò)中；

②計(jì)算與輸入X對(duì)應(yīng)的輸出Op：

其中，Wi為各卷積層的權(quán)值，bi為對(duì)應(yīng)的偏置矩陣，F(xiàn)i表示激活函數(shù)以及在池化層的采樣函數(shù)。

該階段的主要任務(wù)是將輸入層的信息進(jìn)行每一級(jí)的轉(zhuǎn)換傳到輸出層。該階段中激活函數(shù)是一個(gè)重要的因素，包括兩類：一種為傳統(tǒng)的飽和非線性激活函數(shù)，主要包括Sigmoid函數(shù)和Tanh函數(shù)；另一種為更貼合生物學(xué)的不飽和的非線性激活函數(shù)，主要包括ReLUs函數(shù)和Softplus函數(shù)[11]。4種激活函數(shù)的表達(dá)式如下。

（2）后向傳播階段

①計(jì)算模型的實(shí)際輸出Op與理想輸出Yp之間的誤差；

②按照使得誤差極小化的方法，反方向傳播去調(diào)整權(quán)矩陣。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 MNIST數(shù)據(jù)集

MNIST數(shù)據(jù)集有訓(xùn)練數(shù)據(jù)60 000行和測(cè)試數(shù)據(jù)10 000行，且每個(gè)樣本都對(duì)應(yīng)著一個(gè)唯一的標(biāo)簽。該標(biāo)簽是對(duì)樣本數(shù)字的描述，每張圖片由28×28個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成[12]。數(shù)據(jù)集如圖4所示。

圖4 MNIST數(shù)據(jù)集

其中，train-images-idx3-ubyte.gz包含60 000個(gè)樣本，train-labels-idx1-ubyte.gz包含60 000個(gè)標(biāo)簽，t10k-images-idx3-ubyte.gz包含10 000個(gè)樣本，t10k-labels-idx1-ubyte.gz包含10 000個(gè)標(biāo)簽。

數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)樣本可轉(zhuǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)度784的向量，所以MNIST中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集將被轉(zhuǎn)換成[60 000，784]的張量來(lái)表示。其中，第一個(gè)維度代表的為索引圖片，第二個(gè)維度代表每張的像素點(diǎn)。它與樣本相對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽是用0～9的數(shù)字表示的，故標(biāo)簽一般用獨(dú)熱編碼（One-hot Encoding）表示。獨(dú)熱編碼的表示形式為除了要表示的某數(shù)值的對(duì)應(yīng)位上是數(shù)字1，其他位置都是0。例如，標(biāo)簽2則用獨(dú)熱編碼表示為[0，0，1，0，0，0，0，0，0，0]，于是樣本標(biāo)簽會(huì)被轉(zhuǎn)化為[60 000，10]的張量。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

使用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)Softmax模型和和CNN模型，并對(duì)CNN模型使用Sigmoid函數(shù)、Tanh函數(shù)和ReLUs函數(shù)3種函數(shù)作為其不同的激活函數(shù)。對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行0～1 500次的訓(xùn)練，間隔為100次，對(duì)不同訓(xùn)練次數(shù)時(shí)的準(zhǔn)確率進(jìn)行記錄，并測(cè)試出訓(xùn)練后對(duì)測(cè)試集預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。對(duì)于每個(gè)模型以及每種激活函數(shù)的CNN模型進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，采用5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終的訓(xùn)練和測(cè)試的準(zhǔn)確率結(jié)果，以用于模型的分析和評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練不同訓(xùn)練次數(shù)得出的準(zhǔn)確率對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。可以看出，CNN模型使用Tanh函數(shù)和ReLUs函數(shù)作為激活函數(shù)時(shí)，與Softmax模型相比，準(zhǔn)確率在穩(wěn)定后提高了9%左右。對(duì)于CNN模型，傳統(tǒng)的激活函數(shù)Sigmoid收斂速度較慢，并且在1 500次訓(xùn)練中，收斂后的準(zhǔn)確率與Softmax模型的準(zhǔn)確率相比幾乎沒(méi)有提高。ReLUs作為不飽和非線性激活函數(shù)，在代替Sigmoid函數(shù)和Tanh函數(shù)后，收斂速度有了一定的提高。從圖5可以看出，ReLUs函數(shù)作為激活函數(shù)時(shí)，在訓(xùn)練200次時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，收斂速度較快。

圖5 訓(xùn)練結(jié)果

圖6為利用訓(xùn)練后的模型對(duì)測(cè)試集預(yù)測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確率。可以看出，在CNN使用ReLUs函數(shù)時(shí)準(zhǔn)確率最高，說(shuō)明該模型具有一定的先進(jìn)性。

圖6 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在TensorFlow框架上，采用Softmax模型和CNN模型對(duì)手寫體數(shù)字訓(xùn)練，分析了兩種模型的基本架構(gòu)和原理，并對(duì)CNN模型存在的局部極小點(diǎn)問(wèn)題，采用在損失函數(shù)中加入權(quán)值衰減項(xiàng)給予解決，使用ReLUs作為激活函數(shù)提高其收斂速度。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，對(duì)比兩個(gè)模型的識(shí)別準(zhǔn)確率和CNN模型不同激活函數(shù)的收斂速度。這些原理分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于手寫字識(shí)別的研究具有一定的參考意義。