在浏览器中进行深度学习：TensorFlow.js (五）构建一个神经网络

Gang Tao

大数据架构师，Timeplus CTO

6 人赞同了该文章

这一次我终于可以开始真正的深度学习了，从一个神经网络开始。

神经网络（Neural Network）是深度学习的基础，基本概念包括：神经元，层，反向传播等等。如果细讲我估计没有五到十篇文章那是讲不完的。简单说它模拟了大脑神经元工作的方式，利用把多个神经元组合成网络结构的模型来对数据进行分类。

神经网络是一个多层结构的反馈网络，包括输入，输出和隐藏层。
每一层由若干个神经元组成。
整个网络利用反向传播，反馈输出的结果和期望值的差异来进行学习。
可以理解网络是一个函数ouput=function(input), 随着网络层次的加深，神经网络可以模拟一个非常复杂的非线性函数，当然学习的成本就更高，因为要学习的参数会随着层数和每一层的神经元的个数增加而增加。

TensorFlowJs提供了对神经网络／深度神经网络提供了很好的支持。包括:模型 tf.model, 层 tf.layer。

下面我们就看看如果利用TensorFlowJS来构建一个简单的神经网络来进行MINST数据的手写识别。

构建网络

function nn_model() {
  const model = tf.sequential();
  model.add(tf.layers.dense({
    units: 32, inputShape: [784]
  }));
  model.add(tf.layers.dense({
    units: 256
  }));
  model.add(tf.layers.dense(
    {units: 10, kernelInitializer: 'varianceScaling', activation: 'softmax'}));
  return model;
}

以上代码构建了一个有两个隐藏层的神经网络，第一层有32个神经元，第二层有256个神经元。

tf.sequential 构建一个序列化的网络模型，这样的网络每一层的输出连接到下一层的输入，类似一个有每一层组成的栈。不存在分支或者跳跃。
利用model.add向模型中增加一层
tf.layers.dense提供一个全联接的层。units定义了该层的神经元个数。inputShape是输入数据的形状。网络中第一层必须明确指定输入形状，其余的层默认从前面的层输入。
最后一层决定了分类器的结果，所以我们使用softmax作为激活函数，units为10，表示10的数字0-9的分类结果。

网络初始化

const model = nn_model();
const LEARNING_RATE = 0.15;
const optimizer = tf.train.sgd(LEARNING_RATE);
model.compile({
  optimizer: optimizer,
  loss: 'categoricalCrossentropy',
  metrics: ['accuracy'],
});

初始化模型，定义学习率，优化器
调用model.compile方法，定义损失函数。

训练网络

async function train() {
  const BATCH_SIZE = 16;
  const TRAIN_BATCHES = 100;

  const TEST_BATCH_SIZE = 100;
  const TEST_ITERATION_FREQUENCY = 5;

  for (let i = 0; i < TRAIN_BATCHES; i++) {
    const batch = data.nextTrainBatch(BATCH_SIZE);

    let testBatch;
    let validationData;
    // Every few batches test the accuracy of the mode.
    if (i % TEST_ITERATION_FREQUENCY === 0 && i > 0 ) {
      testBatch = data.nextTestBatch(TEST_BATCH_SIZE);
      validationData = [
        testBatch.xs.reshape([TEST_BATCH_SIZE, 784]), testBatch.labels
      ];
    }

    // The entire dataset doesn't fit into memory so we call fit repeatedly
    // with batches.
    const history = await model.fit(
        batch.xs.reshape([BATCH_SIZE, 784]), batch.labels,
        {batchSize: BATCH_SIZE, validationData, epochs: 1});

    batch.xs.dispose();
    batch.labels.dispose();
    if (testBatch != null) {
      testBatch.xs.dispose();
      testBatch.labels.dispose();
    }
    await tf.nextFrame();
  }
}

训练的核心方法是调用model.fit(x,y,config)方法。x是训练数据，y是训练的分类标签。config是可选项。
在训练过程中，我们使用testBactch来做验证，计算准确率。结果存入model.fit的返回值中。
调用dispose方法释放tensor占用的内存
tf.nextFrame() 返回一个Promise，主要用于Web动画。static nextFrame(): Promise<void> {
return new Promise<void>(resolve => requestAnimationFrame(() => resolve()));
}

大家可以试一试我在codepen上的例子。

通过改变模型的层数和每一层神经元的个数，我们可以评估该模型是否有效。