前言

鳶尾花識別是學習AI入門的案例，這裡和大家分享下使用tensorflow 2框架，編寫程序，獲取鳶尾花數據，搭建神經網絡，最後訓練和識別鳶尾花。

鳶尾花識別——思路流程：

1）獲取鳶尾花數據，分析處理。

2）整理數據位訓練集，測試集。

3）搭建神經網絡模型。

4）訓練網絡，優化網絡模型參數。

5）保存最優的模型，進行鳶尾花識別。

認識鳶尾花

我們先認識下什麼是鳶尾花？

鳶尾花分類：狗尾草鳶尾、雜色鳶尾、維吉尼亞鳶尾

鳶尾花的特徵是什麼呢？

鳶尾花花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬。我們通過對數據進行分析總結出了規律：通過測量花的花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬，可以得出鳶尾花的類別（如：花萼長>花萼寬且花瓣長/花瓣寬>2 ，則雜色鳶尾）

獲取鳶尾花數據

4 個屬性作為輸入特徵：花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬；

類別作為標籤，0 代表狗尾草鳶尾，1 代表雜色鳶尾，2 代表維吉尼亞鳶尾。

iris數據集即鳶尾花數據。x_data 存放 iris數據集所有輸入特徵（4 種）；y_data存放 iris數據集所有標籤（3種）

from sklearn import datasets
from pandas import DataFrame
import pandas as pd
x_data = datasets.load_iris().data # .data返回iris數據集所有輸入特徵
y_data = datasets.load_iris().target # .target返回iris數據集所有標籤
print("x_data from datasets: \n", x_data)
print("y_data from datasets: \n", y_data)
x_data = DataFrame(x_data, columns=['花萼長度', '花萼寬度', '花瓣長度', '花瓣寬度']) # 為表格增加行索引（左側）和列標籤（上方）
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True) # 設置列名對齊
print("x_data add index: \n", x_data)
x_data['類別'] = y_data # 新加一列，列標籤為『類別』，數據為y_data
print("x_data add a column: \n", x_data)

在sklearn庫中，x_data，y_data的原始數據：

在x_data[ ]數據中，新加一列，列標籤為『類別』，數據為y_data：

整理數據為訓練集，測試集

把輸入特徵和標籤做成數據對，即每一行輸入特徵有與之對應的類別；得出一共150行數據；其中75%作為訓練集，即120行；25%作為測試集，即後30行。

注意：訓練集和測試集，沒有交集，它們之間都沒有一樣的數據。

# 導入所需模塊
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
# 導入數據，分別為輸入特徵和標籤
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
# 隨機打亂數據（因為原始數據是順序的，順序不打亂會影響準確率）
# seed: 隨機數種子，是一個整數，當設置之後，每次生成的隨機數都一樣（為方便教學，以保每位同學結果一致）
np.random.seed(116) # 使用相同的seed，保證輸入特徵和標籤一一對應
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 將打亂後的數據集分割為訓練集和測試集，訓練集為前120行，測試集為後30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 轉換x的數據類型，否則後面矩陣相乘時會因數據類型不一致報錯
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函數使輸入特徵和標籤值一一對應。（把數據集分批次，每個批次batch組數據）
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)

為了訓練更高效，通常會把數據變成batch（包），例如，把32行數據為一個小包batch。

搭建神經網絡模型

從數據中分析出，有4個輸入特徵，所以輸入層有4個節點；鳶尾花3種類別，所以輸出層有3個節點. 我們需要初始化網絡中的參數（權值、偏置）。

通過前向傳播計算，即從輸入層到輸出層疊代計算，預測出是那個類別的鳶尾花，對比是否預測正確（通過損失函數計算出預測值和真實值的偏差，這個偏差越小代表預測越接近真實；最終選擇最優的參數）。

輸入層和輸出層之間的映射關係接近正確的，模型基本訓練好了。

即所有的輸入 x 乘以各自線上的權重 w 求和加上偏置項 b 得到輸出 y 。

輸出 y 中，1.01 代表 0 類鳶尾得分，2.01 代表 1 類鳶尾得分，-0.66 代表 2 類鳶尾得分。通過輸出 y 可以看出數值最大(可能性最高)的是 1 類鳶尾，而5不是標籤 0 類鳶尾。這是由於最初的參數 w 和 b 是隨機產生的，現在輸出的結果是不準確的。

為了修正這一結果，我們用損失函數，定義預測值 y 和標準答案(標籤)_y 的差距，損失函數可以定量的判斷當前這組參數 w 和 b 的優劣，當損失函數最小時，即可得到最優 w 的值和 b 的值。

損失函數，其目的是尋找一組參數 w 和 b 使得損失函數最小。為達成這一目的，我們採用梯度下降的方法。

損失函數的梯度表示損失函數對各參數求偏導後的向量，損失函數梯度下降的方向，就是是損失函數減小的方向。梯度下降法即沿著損失函數梯度下降的方向，尋找損失函數的最小值，從而得到最優的參數。

首先來看看梯度下降的一個直觀的解釋。比如我們在一座大山上的某處位置，由於我們不知道怎麼下山，於是決定走一步算一步，也就是在每走到一個位置的時候，求解當前位置的梯度，沿著梯度的負方向，也就是當前最陡峭的位置向下走一步，然後繼續求解當前位置梯度，向這一步所在位置沿著最陡峭最易下山的位置走一步。這樣一步步的走下去，一直走到覺得我們已經到了山腳。當然這樣走下去，有可能我們不能走到山腳，而是到了某一個局部的山峰低處。

　　從上面的解釋可以看出，梯度下降不一定能夠找到全局的最優解，有可能是一個局部最優解。當然，如果損失函數是凸函數，梯度下降法得到的解就一定是全局最優解。

鳶尾花識別完整代碼：

# -*- coding: UTF-8 -*-
# 利用鳶尾花數據集，實現前向傳播、反向傳播，可視化loss曲線
# 導入所需模塊
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
# 導入數據，分別為輸入特徵和標籤
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
# 隨機打亂數據（因為原始數據是順序的，順序不打亂會影響準確率）
# seed: 隨機數種子，是一個整數，當設置之後，每次生成的隨機數都一樣（為方便教學，以保每位同學結果一致）
np.random.seed(116) # 使用相同的seed，保證輸入特徵和標籤一一對應
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 將打亂後的數據集分割為訓練集和測試集，訓練集為前120行，測試集為後30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 轉換x的數據類型，否則後面矩陣相乘時會因數據類型不一致報錯
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函數使輸入特徵和標籤值一一對應。（把數據集分批次，每個批次batch組數據）
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
# 生成神經網絡的參數，4個輸入特徵故，輸入層為4個輸入節點；因為3分類，故輸出層為3個神經元
# 用tf.Variable()標記參數可訓練
# 使用seed使每次生成的隨機數相同（方便教學，使大家結果都一致，在現實使用時不寫seed）
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))
lr = 0.1 # 學習率為0.1
train_loss_results = [] # 將每輪的loss記錄在此列表中，為後續畫loss曲線提供數據
test_acc = [] # 將每輪的acc記錄在此列表中，為後續畫acc曲線提供數據
epoch = 500 # 循環500輪
loss_all = 0 # 每輪分4個step，loss_all記錄四個step生成的4個loss的和
# 訓練部分
for epoch in range(epoch): #數據集級別的循環，每個epoch循環一次數據集
for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db): #batch級別的循環，每個step循環一個batch
with tf.GradientTape() as tape: # with結構記錄梯度信息
y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神經網絡乘加運算
y = tf.nn.softmax(y) # 使輸出y符合概率分布（此操作後與獨熱碼同量級，可相減求loss）
y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3) # 將標籤值轉換為獨熱碼格式，方便計算loss和accuracy
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y)) # 採用均方誤差損失函數mse = mean(sum(y-out)^2)
loss_all += loss.numpy() # 將每個step計算出的loss累加，為後續求loss平均值提供數據，這樣計算的loss更準確
# 計算loss對各個參數的梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
# 實現梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad b = b - lr * b_grad
w1.assign_sub(lr * grads[0]) # 參數w1自更新
b1.assign_sub(lr * grads[1]) # 參數b自更新
# 每個epoch，列印loss信息
print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all/4))
train_loss_results.append(loss_all / 4) # 將4個step的loss求平均記錄在此變量中
loss_all = 0 # loss_all歸零，為記錄下一個epoch的loss做準備
# 測試部分
# total_correct為預測對的樣本個數, total_number為測試的總樣本數，將這兩個變量都初始化為0
total_correct, total_number = 0, 0
for x_test, y_test in test_db:
# 使用更新後的參數進行預測
y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引，即預測的分類
# 將pred轉換為y_test的數據類型
pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
# 若分類正確，則correct=1，否則為0，將bool型的結果轉換為int型
correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
# 將每個batch的correct數加起來
correct = tf.reduce_sum(correct)
# 將所有batch中的correct數加起來
total_correct += int(correct)
# total_number為測試的總樣本數，也就是x_test的行數，shape[0]返回變量的行數
total_number += x_test.shape[0]
# 總的準確率等於total_correct/total_number
acc = total_correct / total_number
test_acc.append(acc)
print("Test_acc:", acc)
print("--------------------------")
# 繪製 loss 曲線
plt.title('Loss Function Curve') # 圖片標題
plt.xlabel('Epoch') # x軸變量名稱
plt.ylabel('Loss') # y軸變量名稱
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$") # 逐點畫出trian_loss_results值並連線，連線圖標是Loss
plt.legend() # 畫出曲線圖標
plt.show() # 畫出圖像
# 繪製 Accuracy 曲線
plt.title('Acc Curve') # 圖片標題
plt.xlabel('Epoch') # x軸變量名稱
plt.ylabel('Acc') # y軸變量名稱
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$") # 逐點畫出test_acc值並連線，連線圖標是Accuracy
plt.legend()
plt.show()

訓練過程，一共疊代500次，最後得出 loss: 0.032300274819135666 Test_acc: 1.0

隨著疊代次數的增加，損失率（預估值和真實值的偏差）在減少；準確率在不多提高，最終到達100%（即：1）

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5分鐘入門到實戰！基於神經網絡——鳶尾花識別（Iris）

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目錄

鳶尾花識別——思路流程：

認識鳶尾花

獲取鳶尾花數據

搭建神經網絡模型

鳶尾花識別完整代碼：

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鳶尾花識別 完整代碼：

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