python中怎麼使用tensorflow建構長短時記憶LSTM-Python教學-PHP中文網

LSTM簡介

1、RNN的梯度消失問題

在過去的時間裡我們學習了RNN循環神經網絡，其結構示意圖是這樣的：

python中怎麼使用tensorflow建構長短時記憶LSTM

其存在的最大問題是，當w1、w2、w3這些值小於0時，如果一句話夠長，那麼其在神經網路進行反向傳播與前向傳播時，存在梯度消失的問題。

0.925=0.07，如果一句話有20到30個字，那麼第一個字的隱含層輸出傳遞到最後，將會變成原來的0.07倍，比起最後一個字的影響，大大降低。

其具體情況是這樣的：

python中怎麼使用tensorflow建構長短時記憶LSTM

長短時記憶網路就是為了解決梯度消失的問題出現的。

2、LSTM的結構

原始RNN的隱藏層只有一個狀態h，從頭傳遞到尾，它對於短期的輸入非常敏感。

如果我們再增加一個狀態c，讓它來保存長期的狀態，問題就可以解決了。

對於RNN和LSTM而言，其兩個step單元的對比如下。

python中怎麼使用tensorflow建構長短時記憶LSTM

我們把LSTM的結構按照時間維度展開：

python中怎麼使用tensorflow建構長短時記憶LSTM

我們可以看出，在n時刻，LSTM的輸入有三個：

1、當下時刻網路的輸入值；

2、上一刻LSTM的輸出值；

3、上一時刻的單元狀態。

LSTM的輸出有兩個：

1、此時LSTM輸出值；

2、當下時刻的單元狀態。

3、LSTM獨特的閘門結構

LSTM用兩個閘門來控制單元狀態cn的內容：

1、遺忘閘（forget gate），它決定了上一刻的單元狀態cn-1有多少保留到當下時刻；

2、輸入閘門（input gate），它決定了當前時刻網路的輸入c’n有多少保存到單元狀態。

LSTM用一個閘門來控制目前輸出值hn的內容：

輸出閘門（output gate），它決定了當前時刻單元狀態cn有多少輸出。

python中怎麼使用tensorflow建構長短時記憶LSTM

tensorflowLSTM的相關函數

tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell

tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(
    num_units,
    forget_bias=1.0,
    state_is_tuple=True,
    activation=None,
    reuse=None,
    name=None,
    dtype=None
)

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#num_units：RNN單元中的神經元數量，即輸出神經元數量。

forget_bias：偏移增加了忘記門。手動將恢復的CudnnLSTM訓練檢查點(checkpoint)設定為0.0。

state_is_tuple：如果為True，則接受和傳回的狀態是c_state和m_state的2-tuple；如果為False，則他們沿著列軸連接。 False即將棄用。

activation：激活函數。

reuse：描述是否在現有範圍中重複使用變數。如果現有範圍已經具有給定變數且不為True，則會引發錯誤。

name：圖層的名稱。

dtype：該層的資料型態。

使用時，可以定義為：

lstm_cell = tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(self.cell_size, forget_bias=1.0, state_is_tuple=True)

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在定義完成後，可以進行狀態初始化：

self.cell_init_state = lstm_cell.zero_state(self.batch_size, dtype=tf.float32)

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tf.nn.dynamic_rnn

tf.nn.dynamic_rnn(
    cell,
    inputs,
    sequence_length=None,
    initial_state=None,
    dtype=None,
    parallel_iterations=None,
    swap_memory=False,
    time_major=False,
    scope=None
)

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cell：上文所定義的lstm_cell。
inputs：RNN輸入。如果time_major==false（預設），則必須是如下shape的tensor：[batch_size，max_time，…]或此類元素的嵌套元組。如果time_major==true，則必須是如下形狀的tensor：[max_time，batch_size，…]或此類元素的嵌套元組。
向量的大小由 sequence_length 參數決定，其類型為 Int32/Int64。用於在超過批次元素的序列長度時複製通過狀態和零輸出。因此，它更多的是為了性能而不是正確性。
initial_state：上述定義的_init_state。
dtype：資料型態。
parallel_iterations：並行運行的迭代次數。那些不具有任何時間依賴性並且可以並行運行的操作將是。這個參數用時間來交換空間。較大的值會消耗更多的內存，但運算速度更快，而較小的值則使用較少的內存，但需要更長的計算時間。
time_major：输入和输出tensor的形状格式。这些张量的形状必须为[max_time, batch_size, depth]，若表述正确，则它为真。这些张量的形状必须是[batch_size，max_time，depth]，如果为假。time_major=true可以提高效率，因为它避免了在RNN计算的开头和结尾进行转置操作。默认情况下，此函数为False，因为大多数的 TensorFlow 数据以批处理主数据的形式存在。
scope：创建的子图的可变作用域；默认为“RNN”。

在LSTM的最后，需要用该函数得出结果。

self.cell_outputs, self.cell_final_state = tf.nn.dynamic_rnn(
	lstm_cell, self.l_in_y, initial_state=self.cell_init_state, time_major=False)

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返回的是一个元组 (outputs, state)：

outputs：LSTM的最后一层的输出，是一个tensor。如果为time_major== False，则它的shape为[batch_size,max_time,cell.output_size]。如果为time_major== True，则它的shape为[max_time,batch_size,cell.output_size]。

states：states是一个tensor。state是最终的状态，也就是序列中最后一个cell输出的状态。一般情况下states的形状为 [batch_size, cell.output_size]，但当输入的cell为BasicLSTMCell时，states的形状为[2，batch_size, cell.output_size ]，其中2也对应着LSTM中的cell state和hidden state。

整个LSTM的定义过程为：

    def add_input_layer(self,):
        #X最开始的形状为(256 batch,28 steps,28 inputs)
        #转化为(256 batch*28 steps,128 hidden)
        l_in_x = tf.reshape(self.xs, [-1, self.input_size], name=&#39;to_2D&#39;) 

        #获取Ws和Bs
        Ws_in = self._weight_variable([self.input_size, self.cell_size])
        bs_in = self._bias_variable([self.cell_size])

        #转化为(256 batch*28 steps,256 hidden) 
        with tf.name_scope(&#39;Wx_plus_b&#39;):
            l_in_y = tf.matmul(l_in_x, Ws_in) + bs_in
        
        # (batch * n_steps, cell_size) ==> (batch, n_steps, cell_size)
        # (256*28,256)->(256,28,256)
        self.l_in_y = tf.reshape(l_in_y, [-1, self.n_steps, self.cell_size], name=&#39;to_3D&#39;)

    def add_cell(self):
        #神经元个数
        lstm_cell = tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(self.cell_size, forget_bias=1.0, state_is_tuple=True)

        #每一次传入的batch的大小
        with tf.name_scope(&#39;initial_state&#39;):
            self.cell_init_state = lstm_cell.zero_state(self.batch_size, dtype=tf.float32)

        #不是主列
        self.cell_outputs, self.cell_final_state = tf.nn.dynamic_rnn(
            lstm_cell, self.l_in_y, initial_state=self.cell_init_state, time_major=False)
    
    def add_output_layer(self):
        #设置Ws,Bs
        Ws_out = self._weight_variable([self.cell_size, self.output_size])
        bs_out = self._bias_variable([self.output_size])
        # shape = (batch,output_size)
        # (256,10)
        with tf.name_scope(&#39;Wx_plus_b&#39;):
            self.pred = tf.matmul(self.cell_final_state[-1], Ws_out) + bs_out

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全部代码

该例子为手写体识别例子，将手写体的28行分别作为每一个step的输入，输入维度均为28列。

import tensorflow as tf 
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
import numpy as np

mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data",one_hot = "true")

BATCH_SIZE = 256     # 每一个batch的数据数量
TIME_STEPS = 28      # 图像共28行，分为28个step进行传输
INPUT_SIZE = 28      # 图像共28列
OUTPUT_SIZE = 10     # 共10个输出
CELL_SIZE = 256      # RNN 的 hidden unit size，隐含层神经元的个数
LR = 1e-3            # learning rate，学习率

def get_batch():    #获取训练的batch
    batch_xs,batch_ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)      
    batch_xs = batch_xs.reshape([BATCH_SIZE,TIME_STEPS,INPUT_SIZE])
    return [batch_xs,batch_ys]

class LSTMRNN(object):  #构建LSTM的类
    def __init__(self, n_steps, input_size, output_size, cell_size, batch_size):
        self.n_steps = n_steps 
        self.input_size = input_size
        self.output_size = output_size
        self.cell_size = cell_size
        self.batch_size = batch_size

        #输入输出
        with tf.name_scope('inputs'):
            self.xs = tf.placeholder(tf.float32, [None, n_steps, input_size], name='xs')
            self.ys = tf.placeholder(tf.float32, [None, output_size], name='ys')
        #直接加层
        with tf.variable_scope('in_hidden'):
            self.add_input_layer()
        #增加LSTM的cell
        with tf.variable_scope('LSTM_cell'):
            self.add_cell()
        #直接加层
        with tf.variable_scope('out_hidden'):
            self.add_output_layer()
        #计算损失值
        with tf.name_scope('cost'):
            self.compute_cost()
        #训练
        with tf.name_scope('train'):
            self.train_op = tf.train.AdamOptimizer(LR).minimize(self.cost)
        #正确率计算
        self.correct_pre = tf.equal(tf.argmax(self.ys,1),tf.argmax(self.pred,1))
        self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(self.correct_pre,tf.float32))

    def add_input_layer(self,):
        #X最开始的形状为(256 batch,28 steps,28 inputs)
        #转化为(256 batch*28 steps,128 hidden)
        l_in_x = tf.reshape(self.xs, [-1, self.input_size], name=&#39;to_2D&#39;) 

        #获取Ws和Bs
        Ws_in = self._weight_variable([self.input_size, self.cell_size])
        bs_in = self._bias_variable([self.cell_size])

        #转化为(256 batch*28 steps,256 hidden) 
        with tf.name_scope(&#39;Wx_plus_b&#39;):
            l_in_y = tf.matmul(l_in_x, Ws_in) + bs_in
        
        # (batch * n_steps, cell_size) ==> (batch, n_steps, cell_size)
        # (256*28,256)->(256,28,256)
        self.l_in_y = tf.reshape(l_in_y, [-1, self.n_steps, self.cell_size], name=&#39;to_3D&#39;)

    def add_cell(self):
        #神经元个数
        lstm_cell = tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(self.cell_size, forget_bias=1.0, state_is_tuple=True)

        #每一次传入的batch的大小
        with tf.name_scope(&#39;initial_state&#39;):
            self.cell_init_state = lstm_cell.zero_state(self.batch_size, dtype=tf.float32)

        #不是主列
        self.cell_outputs, self.cell_final_state = tf.nn.dynamic_rnn(
            lstm_cell, self.l_in_y, initial_state=self.cell_init_state, time_major=False)
    
    def add_output_layer(self):
        #设置Ws,Bs
        Ws_out = self._weight_variable([self.cell_size, self.output_size])
        bs_out = self._bias_variable([self.output_size])
        # shape = (batch,output_size)
        # (256,10)
        with tf.name_scope(&#39;Wx_plus_b&#39;):
            self.pred = tf.matmul(self.cell_final_state[-1], Ws_out) + bs_out

    def compute_cost(self):
        self.cost =  tf.reduce_mean(
            tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits = self.pred,labels = self.ys)
            )

    def _weight_variable(self, shape, name='weights'):
        initializer = np.random.normal(0.0,1.0 ,size=shape)
        return tf.Variable(initializer, name=name,dtype = tf.float32)

    def _bias_variable(self, shape, name='biases'):
        initializer = np.ones(shape=shape)*0.1
        return tf.Variable(initializer, name=name,dtype = tf.float32)


if __name__ == '__main__':
    #搭建 LSTMRNN 模型
    model = LSTMRNN(TIME_STEPS, INPUT_SIZE, OUTPUT_SIZE, CELL_SIZE, BATCH_SIZE)
    sess = tf.Session()

    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    
    #训练10000次
    for i in range(10000):
        xs, ys = get_batch()  #提取 batch data
        if i == 0:
        #初始化data
            feed_dict = {
                    model.xs: xs,
                    model.ys: ys,
            }
        else:
            feed_dict = {
                model.xs: xs,
                model.ys: ys,
                model.cell_init_state: state    #保持 state 的连续性
            }
        
        #训练
        _, cost, state, pred = sess.run(
            [model.train_op, model.cost, model.cell_final_state, model.pred],
            feed_dict=feed_dict)
        
        #打印精确度结果
        if i % 20 == 0:
            print(sess.run(model.accuracy,feed_dict = {
                    model.xs: xs,
                    model.ys: ys,
                    model.cell_init_state: state    #保持 state 的连续性
            }))

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