【Tensorflow】常用函数解析

最新推荐文章于 2024-09-07 22:06:23 发布

yongwan5637

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分类专栏：机器学习文章标签： TensorFlow CNN

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本文深入解析了TensorFlow中关键函数如tf.placeholder、tf.Variable、tf.nn.conv2d、tf.nn.relu、tf.nn.max_pool及tf.constant等的使用方法与应用场景，并通过实例演示帮助读者更好地理解和掌握。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1、tf.placeholde函数解释与用法：

函数原型：tf.placeholder(dtype, shape=None, name=None）

使用说明：placeholder，中文意思是占位符，在tensorflow中类似于函数参数，运行时必须传入值。该函数用于得到传递进来的真实的训练样本。同时也可以理解为形参，
用于定义过程，在执行的时候再赋具体的值。（相当于首先定义一个容器，包含容量、size等信息，真正调用的时候再往容器里面注入东西）

注意：不必指定初始值，可以在运行时，通过Session.run 函数的参数”feed_dict={x : value}”进行赋值

参数说明：
dtype：数据类型。常用的是tf.float32,tf.float64等数值类型
shape：数据形状。默认是None，就是一维值，也可以是多维，比如[1,2,3]
name：名称

实例：

import tensorflow as tf
import numpy as np

x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[24, 24])  # 该方法定义一个数值类型为float32，容量为24行24列的形参矩阵容器
y = tf.matmul(x, x)  

with tf.Session() as sess:  
  print(sess.run(y))  # ERROR: 此处x还没有赋值.  

  rand_array = np.random.rand(24,24)  
  print(sess.run(y, feed_dict={x: rand_array}))  # 这一步 x 将被赋值

补充一点：

关于tf.shape()参考：tensorflow constant 中 shape 参数的理解

2、tensorflow的reshape操作tf.reshape()

在处理图像数据的时候总会遇到输入图像的维数不符合的情况，此时tensorflow中reshape()就很好的解决了这个问题。
更为详细的可以参考官方文档说明：

numpy.reshape

3、

tf.nn.conv2d是TensorFlow里面实现卷积的函数，参考文档对它的介绍并不是很详细，实际上这是搭建卷积神经网络比较核心的一个方法，非常重要

`tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None, name=None)`

除去name参数用以指定该操作的name，与方法有关的一共五个参数：

第一个参数input：指需要做卷积的输入图像，它要求是一个Tensor，具有[batch, in_height, in_width, in_channels]这样的shape，具体含义是[训练时一个batch的图片数量, 图片高度, 图片宽度, 图像通道数]，注意这是一个4维的Tensor，要求类型为float32和float64其中之一

第二个参数filter：相当于CNN中的卷积核，它要求是一个Tensor，具有[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]这样的shape，具体含义是[卷积核的高度，卷积核的宽度，图像通道数，卷积核个数]，要求类型与参数input相同，有一个地方需要注意，第三维in_channels，就是参数input的第四维

第三个参数strides：卷积时在图像每一维的步长，这是一个一维的向量，长度4

第四个参数padding：string类型的量，只能是"SAME","VALID"其中之一，这个值决定了不同的卷积方式（后面会介绍）

第五个参数：use_cudnn_on_gpu:bool类型，是否使用cudnn加速，默认为true

结果返回一个Tensor，这个输出，就是我们常说的feature map，shape仍然是[batch, height, width, channels]这种形式。

那么TensorFlow的卷积具体是怎样实现的呢，用一些例子去解释它：

1.考虑一种最简单的情况，现在有一张3×3单通道的图像（对应的shape：[1，3，3，1]），用一个1×1的卷积核（对应的shape：[1，1，1，1]）去做卷积，最后会得到一张3×3的feature map

2.增加图片的通道数，使用一张3×3五通道的图像（对应的shape：[1，3，3，5]），用一个1×1的卷积核（对应的shape：[1，1，1，1]）去做卷积，仍然是一张3×3的feature map，这就相当于每一个像素点，卷积核都与该像素点的每一个通道做卷积。

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([1,1,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

3.把卷积核扩大，现在用3×3的卷积核做卷积，最后的输出是一个值，相当于情况2的feature map所有像素点的值求和

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,3,3,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

4.使用更大的图片将情况2的图片扩大到5×5，仍然是3×3的卷积核，令步长为1，输出3×3的feature map

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='VALID')

注意我们可以把这种情况看成情况2和情况3的中间状态，卷积核以步长1滑动遍历全图，以下x表示的位置，表示卷积核停留的位置，每停留一个，输出feature map的一个像素

.....

.xxx.
.xxx.
.xxx.
.....

5.上面我们一直令参数padding的值为‘VALID’，当其为‘SAME’时，表示卷积核可以停留在图像边缘，如下，输出5×5的feature map

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,1]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')

xxxxx
xxxxx
xxxxx
xxxxx
xxxxx

6.如果卷积核有多个

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')

此时输出7张5×5的feature map

7.步长不为1的情况，文档里说了对于图片，因为只有两维，通常strides取[1，stride，stride，1]

input = tf.Variable(tf.random_normal([1,5,5,5]))

filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

此时，输出7张3×3的feature map

x.x.x

.....
x.x.x
.....
x.x.x

8.如果batch值不为1，同时输入10张图

input = tf.Variable(tf.random_normal([10,5,5,5]))
filter = tf.Variable(tf.random_normal([3,3,5,7]))

op = tf.nn.conv2d(input, filter, strides=[1, 2, 2, 1], padding='SAME')

每张图，都有7张3×3的feature map，输出的shape就是[10，3，3，7]

最后，把程序总结一下：

import tensorflow as tf

# tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding, use_cudnn_on_gpu=None, name=None)
# 除去name参数用以指定该操作的name，与方法有关的一共五个参数：
#
# 第一个参数input：指需要做卷积的输入图像，它要求是一个Tensor，具有[batch, in_height, in_width, in_channels]这样的shape，具体含义是[训练时一个batch的图片数量, 图片高度, 图片宽度, 图像通道数]，注意这是一个4维的Tensor，要求类型为float32和float64其中之一
#
# 第二个参数filter：相当于CNN中的卷积核，它要求是一个Tensor，具有[filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]这样的shape，具体含义是[卷积核的高度，卷积核的宽度，图像通道数，卷积核个数]，要求类型与参数input相同，有一个地方需要注意，第三维in_channels，就是参数input的第四维
#
# 第三个参数strides：卷积时在图像每一维的步长，这是一个一维的向量，长度4
#
# 第四个参数padding：string类型的量，只能是"SAME","VALID"其中之一，这个值决定了不同的卷积方式（后面会介绍）
#
# 第五个参数：use_cudnn_on_gpu:bool类型，是否使用cudnn加速，默认为true
#
# 结果返回一个Tensor，这个输出，就是我们常说的feature map

oplist=[]
# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([1, 3, 3, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([1 ,1 , 5 ,1]))

op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,1,1,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='VALID')
oplist.append([op2, "case 2"])

# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([1, 3, 3, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([3 ,3 , 5 ,1]))

op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,1,1,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='VALID')
oplist.append([op2, "case 3"])

# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([1, 5, 5, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([3 ,3 , 5 ,1]))

op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,1,1,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='VALID')
oplist.append([op2, "case 4"])

# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([1, 5, 5, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([3 ,3 , 5 ,1]))
op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,1,1,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='SAME')
oplist.append([op2, "case 5"])

# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([1, 5, 5, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([3 ,3 , 5 ,7]))
op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,1,1,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='SAME')
oplist.append([op2, "case 6"])


# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([1, 5, 5, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([3 ,3 , 5 ,7]))
op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,2,2,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='SAME')
oplist.append([op2, "case 7"])


# [batch, in_height, in_width, in_channels]
input_arg  = tf.Variable(tf.ones([4, 5, 5, 5]))
# [filter_height, filter_width, in_channels, out_channels]
filter_arg = tf.Variable(tf.ones([3 ,3 , 5 ,7]))
op2 = tf.nn.conv2d(input_arg, filter_arg, strides=[1,2,2,1], use_cudnn_on_gpu=False, padding='SAME')
oplist.append([op2, "case 8"])

with tf.Session() as a_sess:
    a_sess.run(tf.global_variables_initializer())
    for aop in oplist:
        print("----------{}---------".format(aop[1]))
        print(a_sess.run(aop[0]))
        print('---------------------\n\n')

结果是这样的：

----------case 2---------
[[[[ 5.]
[ 5.]
[ 5.]]

[[ 5.]
[ 5.]
[ 5.]]

[[ 5.]
[ 5.]
[ 5.]]]]
---------------------


----------case 3---------
[[[[ 45.]]]]
---------------------


----------case 4---------
[[[[ 45.]
[ 45.]
[ 45.]]

[[ 45.]
[ 45.]
[ 45.]]

[[ 45.]
[ 45.]
[ 45.]]]]
---------------------


----------case 5---------
[[[[ 20.]
[ 30.]
[ 30.]
[ 30.]
[ 20.]]

[[ 30.]
[ 45.]
[ 45.]
[ 45.]
[ 30.]]

[[ 30.]
[ 45.]
[ 45.]
[ 45.]
[ 30.]]

[[ 30.]
[ 45.]
[ 45.]
[ 45.]
[ 30.]]

[[ 20.]
[ 30.]
[ 30.]
[ 30.]
[ 20.]]]]
---------------------


----------case 6---------
[[[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]]]
---------------------


----------case 7---------
[[[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]]]
---------------------


----------case 8---------
[[[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]]


[[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]]


[[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]]


[[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]

[[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 45. 45. 45. 45. 45. 45. 45.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]]

[[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]
[ 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.]
[ 20. 20. 20. 20. 20. 20. 20.]]]]
---------------------

参考：https://www.cnblogs.com/qggg/p/6832342.html

4、

tf.nn.relu(features, name = None)

解释：这个函数的作用是计算激活函数relu，即max(features, 0)。将矩阵中每行的非最大值置0。

使用例子：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import tensorflow as tf

a = tf.constant([-1.0, 2.0])
with tf.Session() as sess:
    b = tf.nn.relu(a)
    print sess.run(b)

输入参数：

features: 一个Tensor。数据类型必须是：float32，float64，int32，int64，uint8，int16，int8。
name: （可选）为这个操作取一个名字。

输出参数：

一个Tensor，数据类型和features相同。

5、tf.nn.max_pool实现池化操作

max pooling是CNN当中的最大值池化操作，其实用法和卷积很类似

有些地方可以从卷积去参考【TensorFlow】tf.nn.conv2d是怎样实现卷积的？

`tf.nn.max_pool(value, ksize, strides, padding, name=None)`

参数是四个，和卷积很类似：

第一个参数value：需要池化的输入，一般池化层接在卷积层后面，所以输入通常是feature map，依然是[batch, height, width, channels]这样的shape

第二个参数ksize：池化窗口的大小，取一个四维向量，一般是[1, height, width, 1]，如果不想在batch和channels上做池化，这两个维度设为了1

第三个参数strides：和卷积类似，窗口在每一个维度上滑动的步长，一般也是[1, stride,stride, 1]

第四个参数padding：和卷积类似，可以取'VALID' 或者'SAME'

返回一个Tensor，类型不变，shape仍然是[batch, height, width, channels]这种形式

示例源码：

假设有这样一张图，双通道

第一个通道：

第二个通道：

用程序去做最大值池化：

import tensorflow as tf

a=tf.constant([
        [[1.0,2.0,3.0,4.0],
        [5.0,6.0,7.0,8.0],
        [8.0,7.0,6.0,5.0],
        [4.0,3.0,2.0,1.0]],
        [[4.0,3.0,2.0,1.0],
         [8.0,7.0,6.0,5.0],
         [1.0,2.0,3.0,4.0],
         [5.0,6.0,7.0,8.0]]
    ])

a=tf.reshape(a,[1,4,4,2])

pooling=tf.nn.max_pool(a,[1,2,2,1],[1,1,1,1],padding='VALID')
with tf.Session() as sess:
    print("image:")
    image=sess.run(a)
    print (image)
    print("reslut:")
    result=sess.run(pooling)
    print (result)
这里步长为1，窗口大小2×2，输出结果：
 image:
[[[[ 1.  2.]
   [ 3.  4.]
   [ 5.  6.]
   [ 7.  8.]]

  [[ 8.  7.]
   [ 6.  5.]
   [ 4.  3.]
   [ 2.  1.]]

  [[ 4.  3.]
   [ 2.  1.]
   [ 8.  7.]
   [ 6.  5.]]

  [[ 1.  2.]
   [ 3.  4.]
   [ 5.  6.]
   [ 7.  8.]]]]
reslut:
[[[[ 8.  7.]
   [ 6.  6.]
   [ 7.  8.]]

  [[ 8.  7.]
   [ 8.  7.]
   [ 8.  7.]]

  [[ 4.  4.]
   [ 8.  7.]
   [ 8.  8.]]]]
池化后的图就是：

我们还可以改变步长

pooling=tf.nn.max_pool(a,[1,2,2,1],[1,2,2,1],padding='VALID')

参考：https://blog.youkuaiyun.com/mao_xiao_feng/article/details/53453926

6、

tf.constant

tf.constant(value,dtype=None,shape=None,name=’Const’)
创建一个常量tensor，按照给出value来赋值，可以用shape来指定其形状。value可以是一个数，也可以是一个list。
如果是一个数，那么这个常亮中所有值的按该数来赋值。
如果是list,那么len(value)一定要小于等于shape展开后的长度。赋值时，先将value中的值逐个存入。不够的部分，则全部存入value的最后一个值。

a = tf.constant(2,shape=[2])
b = tf.constant(2,shape=[2,2])
c = tf.constant([1,2,3],shape=[6])
d = tf.constant([1,2,3],shape=[3,2])

sess = tf.InteractiveSession()
print(sess.run(a))
#[2 2]
print(sess.run(b))
#[[2 2]
# [2 2]]
print(sess.run(c))
#[1 2 3 3 3 3]
print(sess.run(d))
#[[1 2]
# [3 3]
# [3 3]]

7、 TensorFlow 辨异 —— tf.placeholder 与 tf.Variable

二者的主要区别在于：

tf.Variable：主要在于一些可训练变量（trainable variables），比如模型的权重（weights，W）或者偏执值（bias）；
- 声明时，必须提供初始值；
- 名称的真实含义，在于变量，也即在真实训练时，其值是会改变的，自然事先需要指定初始值；
```
weights = tf.Variable(
    tf.truncated_normal([IMAGE_PIXELS, hidden1_units],
            stddev=1./math.sqrt(float(IMAGE_PIXELS)), name='weights')
)
biases = tf.Variable(tf.zeros([hidden1_units]), name='biases')
```
tf.placeholder：用于得到传递进来的真实的训练样本：
- 不必指定初始值，可在运行时，通过 Session.run 的函数的 feed_dict 参数指定；
- 这也是其命名的原因所在，仅仅作为一种占位符；
```
images_placeholder = tf.placeholder(tf.float32, shape=[batch_size, IMAGE_PIXELS])
labels_placeholder = tf.placeholder(tf.int32, shape=[batch_size])
```

如下则是二者真实的使用场景：

for step in range(FLAGS.max_steps):
    feed_dict = { images_placeholder = images_feed, labels_placeholder = labels_feed } _,loss_value = sess.run([train_op, loss], feed_dict=feed_dict)

当执行这些操作时，tf.Variable 的值将会改变，也即被修改，这也是其名称的来源（variable，变量）。

What’s the difference between tf.placeholder and tf.Variable

8、

tf.truncated_normal的用法

tf.truncated_normal(shape, mean, stddev) :shape表示生成张量的维度，mean是均值，stddev是标准差。这个函数产生正太分布，均值和标准差自己设定。这是一个截断的产生正太分布的函数，就是说产生正太分布的值如果与均值的差值大于两倍的标准差，那就重新生成。和一般的正太分布的产生随机数据比起来，这个函数产生的随机数与均值的差距不会超过两倍的标准差，但是一般的别的函数是可能的。

import tensorflow as tf;
import numpy as np;
import matplotlib.pyplot as plt;

c = tf.truncated_normal(shape=[10,10], mean=0, stddev=1)

with tf.Session() as sess:
	print sess.run(c)

更多函数参考文档：https://www.w3cschool.cn/tensorflow_python/tensorflow_python-l5x72feg.html

https://blog.youkuaiyun.com/mydear_11000/article/details/53197891