RNN LSTM 循环神经网络 (分类例子)

学习资料:

相关代码为 TF 打造的新版可视化教学代码机器学习-简介系列什么是RNN机器学习-简介系列什么是LSTM RNN本代码基于网上这一份代码code

设置 RNN 的参数

这次我们会使用 RNN 来进行分类的训练 (Classification). 会继续使用到手写数字 MNIST 数据集. 让 RNN 从每张图片的第一行像素读到最后一行, 然后再进行分类判断. 接下来我们导入 MNIST 数据并确定 RNN 的各种参数(hyper-parameters):

import tensorflow as tffrom tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_datatf.set_random_seed(1) # set random seed# 导入数据mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)# hyperparameterslr = 0.001 # learning ratetraining_iters = 100000# train step 上限batch_size = 128 n_inputs = 28# MNIST data input (img shape: 28*28)n_steps = 28# time stepsn_hidden_units = 128 # neurons in hidden layern_classes = 10 # MNIST classes (0-9 digits)

接着定义x,y的placeholder和weights,biases的初始状况.

# x y placeholderx = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_steps, n_inputs])y = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_classes])# 对 weights biases 初始值的定义weights = {# shape (28, 128)'in': tf.Variable(tf.random_normal([n_inputs, n_hidden_units])),# shape (128, 10)'out': tf.Variable(tf.random_normal([n_hidden_units, n_classes]))}biases = {# shape (128, )'in': tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[n_hidden_units, ])),# shape (10, )'out': tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[n_classes, ]))}

定义 RNN 的主体结构

接着开始定义 RNN 主体结构, 这个 RNN 总共有 3 个组成部分 (input_layer,cell,output_layer). 首先我们先定义input_layer:

def RNN(X, weights, biases):# 原始的 X 是 3 维数据, 我们需要把它变成 2 维数据才能使用 weights 的矩阵乘法# X ==> (128 batches * 28 steps, 28 inputs)X = tf.reshape(X, [-1, n_inputs])# X_in = W*X + bX_in = tf.matmul(X, weights['in']) + biases['in']# X_in ==> (128 batches, 28 steps, 128 hidden) 换回3维X_in = tf.reshape(X_in, [-1, n_steps, n_hidden_units])

接着是cell中的计算, 有两种途径:

使用tf.nn.rnn(cell, inputs)(不推荐原因). 但是如果使用这种方法, 可以参考原因;使用tf.nn.dynamic_rnn(cell, inputs)(推荐). 这次的练习将使用这种方式.

因 Tensorflow 版本升级原因,state_is_tuple=True将在之后的版本中变为默认. 对于lstm来说,state可被分为(c_state, h_state).

# 使用 basic LSTM Cell.lstm_cell = tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(n_hidden_units, forget_bias=1.0, state_is_tuple=True)init_state = lstm_cell.zero_state(batch_size, dtype=tf.float32) # 初始化全零 state

如果使用tf.nn.dynamic_rnn(cell, inputs), 我们要确定inputs的格式.tf.nn.dynamic_rnn中的time_major参数会针对不同inputs格式有不同的值.

如果inputs为 (batches, steps, inputs) ==>time_major=False;如果inputs为 (steps, batches, inputs) ==>time_major=True;

outputs, final_state = tf.nn.dynamic_rnn(lstm_cell, X_in, initial_state=init_state, time_major=False)

最后是output_layer和return的值. 因为这个例子的特殊性, 有两种方法可以求得results.

方式一:直接调用final_state中的h_state(final_state[1]) 来进行运算:

results = tf.matmul(final_state[1], weights['out']) + biases['out']

方式二:调用最后一个outputs(在这个例子中,和上面的final_state[1]是一样的):

# 把 outputs 变成 列表 [(batch, outputs)..] * stepsoutputs = tf.unstack(tf.transpose(outputs, [1,0,2]))results = tf.matmul(outputs[-1], weights['out']) + biases['out'] #选取最后一个 output

在def RNN()的最后输出result

return results

定义好了 RNN 主体结构后, 我们就可以来计算cost和train_op:

pred = RNN(x, weights, biases)cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(pred, y))train_op = tf.train.AdamOptimizer(lr).minimize(cost)

训练 RNN

训练时, 不断输出accuracy, 观看结果:

correct_pred = tf.equal(tf.argmax(pred, 1), tf.argmax(y, 1))accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))# init= tf.initialize_all_variables() # tf 马上就要废弃这种写法# 替换成下面的写法:init = tf.global_variables_initializer()with tf.Session() as sess:sess.run(init)step = 0while step * batch_size < training_iters:batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)batch_xs = batch_xs.reshape([batch_size, n_steps, n_inputs])sess.run([train_op], feed_dict={x: batch_xs,y: batch_ys,})if step % 20 == 0:print(sess.run(accuracy, feed_dict={x: batch_xs,y: batch_ys,}))step += 1

最终accuracy的结果如下:

0.18750.656250.7265620.7578120.8203120.7968750.8593750.9218750.9218750.8984380.8281250.8906250.93750.9218750.93750.9296880.953125....

原文地址：https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/tensorflow/5-08-RNN2/