[Python人工智能] 一.TensorFlow环境搭建及神经网络入门 丨【百变AI秀】
从本篇文章开始，作者正式开始研究Python深度学习、神经网络及人工智能相关知识。第一篇文章主要讲解神经网络基础概念，同时讲解TensorFlow2.0的安装过程及基础用法，主要结合作者之前的博客和"莫烦大神"的视频介绍，后面随着深入会讲解具体的项目及应用。基础性文章，希望对您有所帮助，如果文章中存在错误或不足之处，还请海涵~同时自己也是人工智能的菜鸟，希望大家能与我在这一笔一划的博客中成长起来。
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第一部分将简单讲解"莫烦大神"网易云课程对神经网络的介绍，讲得清晰透彻，推荐大家阅读；第二部分将讲述我的理解。开始吧！让我们一起进入神经网络和TensorFlow的世界。
首先，什么是神经网络（Neural Networks）？
计算机神经网络是一种模仿生物神经网络或动物神经中枢，特别是大脑的结构和功能，它是一种数学模型或计算机模型。神经网络由大量的神经元连接并进行计算，大多数情况下人工神经网络能在外界信息的基础上改变内部结构，是一种自适应的过程。
现代神经网络是一种基于传统统计学建模的工具，常用来对输入和输出间复杂的关系进行建模，或探索数据间的模式，神经网络是一种运算模型，有大量的节点或神经元及其联系构成。和人类的神经元一样，它们负责传递信息和加工信息，神经元也能被训练或强化，形成固定的神经形态，对特殊的信息有更强烈的反应。
神经网络是如何工作的呢？
如上图所示，不管这是一只跳跃飞奔的猫，或是一只静静思考的猫，你都知道它是一只猫，因为你的大脑已经被告知过圆眼睛、毛茸茸、尖耳朵的就是猫，你通过成熟的视觉神经系统判断它是猫。计算机也是一样，通过不断的训练，告诉哪些是猫、哪些是狗、哪些是猪，它们会通过数学模型来概括这些学习的判断，最终以数学的形式（0或1）来分类。目前，谷歌、百度图片搜索都能清晰识别事物，这些都归功于计算机神经系统的飞速发展。
神经网络系统由多层神经层构成，为了区分不同的神经层，我们分为：
- 输入层：直接接收信息的神经层，比如接收一张猫的图片
- 输出层：信息在神经元中传递中转和分析权衡，形成输出结果，通过该层输出的结果可以看出计算机对事物的认知
- 隐藏层：在输入和输出层之间的众多神经元连接组成的各个层面，可以有多层，负责对传入信息的加工处理，经过多层加工才能衍生出对认知的理解
神经网络举例说明
如下图所示，通常来说，计算机处理的东西和人类有所不同，无论是声音、图片还是文字，它们都只能以数字0或1出现在计算机神经网络里。神经网络看到的图片其实都是一堆数字，对数字的加工处理最终生成另一堆数字，并且具有一定认知上的意义，通过一点点的处理能够得知计算机到底判断这张图片是猫还是狗。
计算机是怎么训练的呢？
首先，需要很多的数据，比如需要计算机判断是猫还是狗，就需要准备上千万张有标记的图片，然后再进行上千万次的训练。计算机通过训练或强化学习判断猫，将获取的特征转换为数学的形式。
我们需要做的就是只给计算机看图片，然后让它给我们一个不成熟也不准确的答案，有可能100次答案中有10%是正确的。如果给计算机看图片是一张飞奔的猫（如下图），但计算机可能识别成一条狗，尽管它识别错误，但这个错误对计算机是非常有价值的，可以用这次错误的经验作为一名好老师，不断学习经验。
那么计算机是如何学习经验的呢？
它是通过对比预测答案和真实答案的差别，然后把这种差别再反向传递回去，修改神经元的权重，让每个神经元向正确的方向改动一点点，这样到下次识别时，通过所有改进的神经网络，计算机识别的正确率会有所提高。最终每一次的一点点，累加上千万次的训练，就会朝正确的方向上迈出一大步。
最后到验收结果的时候，给计算机再次显示猫的图片时，它就能正确预测这是一只猫。
激励函数是什么东东？
接着再进一步看看神经网络是怎么训练的。原来在计算机里每一个神经元都有属于它的激励函数（Active Function），我们可以利用这些激励函数给计算机一个刺激行为。当我们第一次给计算机看一只飞奔的猫时，神经网络中只有部分神经元被激活或激励，被激活传递下去的信息是计算机最为重视的信息，也是对输出结果最有价值的信息。
如果预测的结果是一只狗，所有神经元的参数就会被调整，这时有一些容易被激活的神经元就会变得迟钝，而另一些会变得敏感起来，这就说明了所有神经元参数正在被修改，变得对图片真正重要的信息敏感，从而被改动的参数就能渐渐预测出正确的答案，它就是一只猫。这就是神经网络的加工过程。
前面通过白话文讲述了神经网络之后，接下来我们对神经网络的概念从头再梳理一遍，这也是为后续深入学习奠定基础。
神经网络(也称人工神经网络，ANN)算法是80年代机器学习界非常流行的算法，不过在90年代中途衰落。现在，携着“深度学习”之势，神经网络重装归来，重新成为最强大的机器学习算法之一。
人工神经网络（Artificial Neural Network，缩写ANN），是一种模仿生物神经网络的结构和功能的数学模型或计算模型。神经网络由大量的人工神经元联结进行计算。其来源于生物，故吴老先先讲述了生物神经网络的基础知识，从而进行引入。
神经细胞通过轴突将信号传递给其他的神经细胞，通过树突向各个方向接受信号。
神经细胞利用电-化学过程交换信号。输入信号来自另一些神经细胞。这些神经细胞的轴突末梢（也就是终端）和本神经细胞的树突相遇形成突触（synapse），信号就从树突上的突触进入本细胞。
信号在大脑中实际怎样传输是一个相当复杂的过程，但就我们而言，重要的是把它看成和现代的计算机一样，利用一系列的0和1来进行操作。就是说，大脑的神经细胞也只有两种状态：兴奋（fire）和不兴奋（即抑制）。
神经细胞利用一种我们还不知道的方法，把所有从树突突触上进来的信号进行相加，如果全部信号的总和超过某个阈值，就会激发神经细胞进入兴奋（fire）状态，这时就会有一个电信号通过轴突发送出去给其他神经细胞。如果信号总和没有达到阈值，神经细胞就不会兴奋起来。这样的解释有点过分简单化，但已能满足我们的目的。
由于人脑具有一下几个特点：
- 能实现无监督的学习
大脑能够自己进行学习，而不需要导师的监督教导。如果一个神经细胞在一段时间内受到高频率的刺激，则它和输入信号的神经细胞之间的连接强度就会按某种过程改变，使得该神经细胞下一次受到激励时更容易兴奋。 - 对损伤有冗余性(tolerance)
大脑即使有很大一部分受到了损伤, 它仍然能够执行复杂的工作。 - 处理信息的效率极高
神经细胞之间电-化学信号的传递，与一台数字计算机中CPU的数据传输相比，速度是非常慢的，但因神经细胞采用了并行的工作方式，使得大脑能够同时处理大量的数据。例如，大脑视觉皮层在处理通过我们的视网膜输入的一幅图象信号时，大约只要100ms的时间就能完成，眼睛并发执行。 - 善于归纳推广
大脑和数字计算机不同，它极擅长的事情之一就是模式识别，并能根据已熟悉信息进行归纳推广(generlize)。例如，我们能够阅读他人所写的手稿上的文字，即使我们以前从来没见过他所写的东西。 - 它是有意识的
如下图所示，它表示的是一个人工神经细胞。其中：
- 输入(Input)
- 权重(Weight)：左边五个灰色圆底字母w代表浮点数
- 激励函数(Activation Function)：大圆，所有经过权重调整后的输入加起来，形成单个的激励值
- 输出(Output)：神经细胞的输出
进入人工神经细胞的每一个input(输入)都与一个权重w相联系，正是这些权重将决定神经网络的整体活跃性。假设权重为-1和1之间的一个随机数，权重可正可负（激发和抑制作用）。当输入信号进入神经细胞时，它们的值将与它们对应的权重相乘，作为图中大圆的输入。如果激励值超过某个阀值（假设阀值为1.0），就会产生一个值为1的信号输出；如果激励值小于阀值1.0，则输出一个0。这是人工神经细胞激励函数的一种最简单的类型。涉及的数学知识如下图所示：
如果最后计算的结果激励值大于阈值1.0，则神经细胞就输出1；如果激励值小于阈值则输出0。这和一个生物神经细胞的兴奋状态或抑制状态是等价的。下面图是通过神经网络实现逻辑表达式与运算：（参考NG斯坦福机器学习讲义）
可以看到x1和x2变量作为神经网络的输入，当它们取不同的0或1值时，其结果通过sigmod函数计算的值是不同的。它模拟了整个AND运算。
该图中神经网络共有三层 ( 注输入层不是神经细胞，神经细胞只有两层 )：
输入层中的每个输入都馈送到了隐藏层，作为该层每一个神经细胞的输入；然后，从隐藏层的每个神经细胞的输出都连到了它下一层（即输出层）的每一个神经细胞。
注意：
1.图中仅仅画了一个隐藏层，作为前馈网络，一般地可以有任意多个隐藏层。但在对付你将处理的大多数问题时一层通常是足够的。
2.事实上，有一些问题甚至根本不需要任何隐藏单元，你只要把那些输入直接连结到输出神经细胞就行了。
3.每一层实际都可以有任何数目的神经细胞，这完全取决于要解决的问题的复杂性。但神经细胞数目愈多，网络的工作速度也就愈低，网络的规模总是要求保持尽可能的小。
神经网络体系创建成功后，它必须接受训练来认出数字4，方法：
1.先把神经网络的所有权重初始化为任意值；
2.再给他一系列输入代表面板不同配置的输入，对每种输入配置，检查它的输出是什么，并调整相应权重；
3.如果我们送给网络的输入模式不是4，则我们知道网络应该输出一个0。因此每个非4字符时，网络权重应进行调整，使得它的输出趋向于0；当代表4的模式输送给网络时，则应把权重调整到使其输出趋向于1；
4.我们可以进一步识别0到9的所有数字或字母，其本质是手写识别的工作原理。
5.最后，网络不单能认识已经训练的笔迹，还显示了它有显著的归纳和推广能力。
正是这种归纳推广能力，使得神经网络已经成为能够用于无数应用的一种无价的工具，从人脸识别、医学诊断，直到跑马赛的预测，另外还有电脑游戏中的bot（作为游戏角色的机器人）的导航，或者硬件的robot（真正的机器人）的导航。
上图会演示神经网络在图像识别领域的一个著名应用，这个程序叫做LeNet，是一个基于多个隐层构建的神经网络。通过LeNet可以识别多种手写数字，并且达到很高的识别精度与拥有较好的鲁棒性。LeNet的发明人是机器学习的大牛Yann LeCun（目前google）。
右下方的方形中显示的是输入计算机的图像，方形上方的红色字样“answer”后面显示的是计算机的输出。左边的三条竖直的图像列显示的是神经网络中三个隐藏层的输出，可以看出，随着层次的不断深入，越深的层次处理的细节越低，例如层3基本处理的都已经是线的细节了。
这种类型的训练称作有监督的学习（supervised learnig），用来训练的数据称为训练集（training set）。调整权重可以采用许多不同的方法。对本类问题最常用的方法就是反向传播（backpropagation，简称backprop或BP）方法，即BP神经网络。
你自己可以去学习另外的一种训练方式，即根本不需要任何导师来监督的训练，或称无监督学习（unsupervised learnig）。下图是神经网络的简单回顾与总结：
最后给大家看一个利用神经网络对图片进行分类的例子：过程就不详细论述了，图片很清晰，对人、汽车、摩托车、卡车进行图片识别，而具体的隐藏层函数需要大家去深入研究，我自己研究得也很浅显，抱歉~
TensorFlow™是一个基于数据流编程（dataflow programming）的符号数学系统，被广泛应用于各类机器学习（machine learning）算法的编程实现，其前身是谷歌的神经网络算法库DistBelief 。Tensorflow拥有多层级结构，可部署于各类服务器、PC终端和网页并支持GPU和TPU高性能数值计算，被广泛应用于谷歌内部的产品开发和各领域的科学研究 。
TensorFlow由谷歌人工智能团队谷歌大脑（Google Brain）开发和维护，拥有包括TensorFlow Hub、TensorFlow Lite、TensorFlow Research Cloud在内的多个项目以及各类应用程序接口（Application Programming Interface, API）。
TensorFlow官网：https://tensorflow.google.cn/
TensorFlow 是一个端到端开源机器学习平台。它拥有一个包含各种工具、库和社区资源的全面灵活生态系统，可以让研究人员推动机器学习领域的先进技术的发展，并让开发者轻松地构建和部署由机器学习提供支持的应用。总之，如果有TensorFlow，我们就可以很自如地玩转神经网络。
TensorFlow即可以支持CPU，也可以支持CPU+GPU。前者的环境需求简单，后者需要额外的支持。TensorFlow的安装方式很多，包括：
- pip 安装
- virtualenv安装
- docker安装
- 从安装源安装
本文将使用pip安装，pip在每个系统的安装方式包括：
- Linux \ MacOS \ Windows
- CPU版 \ GPU版（GPU版本比CPU版本快很多倍）
- 测试版
- 更新TensorFlow
TensorFlow支持Windows用户，由于我的计算机是Windows操作系统，这里使用该方法进行安装，这里安装的环境为：Windows10+CPU+TensorFlow2.0+Anaconda+Python3.6
第一步：官网下载Anaconda并安装
第二步：安装Anaconda之后，打开“Anaconda Prompt”命令行，检查Anaconda是否安装成功及环境
//检查Anaconda是否成功安装
conda --version
//检测目前安装了哪些环境
conda info --envs
第三步：检查当前环境可以安装哪些版本的Python，作者选择Python3.6版本
conda search --full-name python
由于作者电脑不支持GPU，所以这里只安装CPU版本，GPU安装推荐下面文章。
tensorflow2.0GPU版本的环境配置与安装教程 normalization
[Tensorflow2.0] Tensorflow2.0的安装教程 - 牛andmore牛
第四步：创建环境，用来安装tensorflow2.0以及相关的python packages
conda create -n tf2 python=3.6
第五步：激活TensorFlow
activate tf2
第六步：安装cpu版本TensorFlow
pip install tensorflow==2.0.0-alpha0
- conda search tensorflow #搜CPU版
- conda search tensorflow-gpu #搜GPU版
- conda install tensorflow=2.0.0 #安装CPU版
- conda install tensorflow-gpu=2.0.0 #安装GPU版
此时，表示安装结束，接下来开始确认我们是否安装成功。
第七：打开Anaconda Navigator，选择环境“tf2”，点击spyder下面的“install”。
安装好就变成“Launch”了，点击就可以进去了。
第八步：输入代码验证是否安装成功。
import tensorflow as tf
print(tf.__version__)
如果需要退出环境，可以输入下面命令。
最后给出一个简单的实例代码：
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Spyder Editor
This is a temporary script file.
By：Eastmount CSDN YXZ 2019-11-28
"""
import tensorflow as tf
#查询TensorFlow版本
print(tf.__version__)
#定义a和b为两个常量
a = tf.constant([1, 2], name="a")
b = tf.constant([2, 3], name="b")
print(a)
print(b)
#随机生成一个正态分布
output = tf.random.normal([5,3])
print(output)
#创建2个矩阵并进行相乘
matrix1 = tf.constant([[3,3]])
matrix2 = tf.constant([[1, 2],[3, 4]])
product = tf.matmul(matrix1,matrix2)
print(matrix1)
print(matrix2)
print(product)
print(product.numpy())
输出结果如下所示：
2.0.0-alpha0
tf.Tensor([1 2], shape=(2,), dtype=int32)
tf.Tensor([2 3], shape=(2,), dtype=int32)
tf.Tensor(
[[-2.1826832 -0.32986134 -1.6238695 ]
[-0.18214056 0.25923613 -0.12570491]
[ 1.0550841 -0.6655764 -1.5837296 ]
[-0.10004017 0.0162886 0.9483853 ]
[ 0.4709251 -0.18713968 0.8347026 ]], shape=(5, 3), dtype=float32)
tf.Tensor([[3 3]], shape=(1, 2), dtype=int32)
tf.Tensor(
[[1 2]
[3 4]], shape=(2, 2), dtype=int32)
tf.Tensor([[12 18]], shape=(1, 2), dtype=int32)
[[12 18]]
最后希望基础性文章对您有所帮助，作者也是这个领域的菜鸟一枚，希望与您共同进步，后续会继续深入分享Python人工智能系列，如果喜欢点个赞评论，共勉~
中午惊喜收到女神的小蛋糕，下午期末考试，一直忙到凌晨2点，静寂中又涨了一岁。花开蝴蝶自然来，希望自己一直善良下去，品尝到更多幸福的味道。感谢这些年所有帮助和祝福我的人，无以回报，只能去帮助更多的人，分享更好的博客，备好每一次讲台前的课程。忙中带乐，晚安娜，明天接着奋斗~
感恩能与大家在华为云遇见！
希望能与大家一起在华为云社区共同成长。原文地址：https://blog.csdn.net/Eastmount/article/details/103282042
【百变AI秀】有奖征文火热进行中：https://bbs.huaweicloud.cn/blogs/296704
(By:娜璋之家 Eastmount 2021-08-20 夜于贵阳)
参考文献：
- 神经网络和机器学习基础入门分享 - 作者的文章
- Stanford机器学习—第五讲. 神经网络的学习 Neural Networks learning
- 吴祖增前辈：神经网络入门(连载之一)
- 吴祖增前辈：神经网络入门(连载之二)
- 斯坦福机器学习视频NG教授： https://class.coursera.org/ml/class/index
- 书籍《游戏开发中的人工智能》、《游戏编程中的人工智能技术》
- 网易云莫烦老师视频（强推）：https://study.163.com/course/courseLearn.htm?courseId=1003209007
- TensorFlow在Win10上的安装教程和简单示例 - Suffering
- [Tensorflow2.0] Tensorflow2.0的安装教程 - 牛andmore牛
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