【腾讯Bugly干货分享】人人都可以做深度学习应用：入门篇

导语

2016年，继虚拟现实（VR）之后，人工智能（AI）的概念全面进入大众的视野。谷歌，微软，IBM等科技巨头纷纷重点布局，AI 貌似将成为互联网的下一个风口。

很多开发同学，对人工智能非常感兴趣，确不知从何入手进行学习，精神哥也同样被这个问题困扰。直至看见汉彬同学的这篇文章，豁然开朗，让我坚定地迈出了成为“AI 工程师”的第一步！

本文作者：腾讯QQ会员技术团队-徐汉彬

微信公众号：小时光茶社

一、人工智能和新科技革命

2017年，围棋界发生了一件比较重要的事，Master（AlphaGo）以60连胜横扫天下，击败各路世界冠军，人工智能以气势如虹的姿态出现在我们人类的面前。围棋曾经一度被称为“人类智慧的堡垒”，如今，这座堡垒也随之成为过去。

从2016年三月份AlphaGo击败李世石开始，AI全面进入我们大众的视野，对于它的讨论变得更为火热起来，整个业界普遍认为，它很可能带来下一次科技革命，并且，在未来可预见的十多年里，深刻的改变我们的生活。

其实，AI除了可以做我们熟知的人脸识别、语音识别之外，还可以做其他蛮多有趣的事情。

例如，让AI学习大量古诗之后写古诗，并且可以写出质量非常不错的古诗，如下图这两首：

又或者，将两部设计造型不同的汽车进行融合，形成全新一种设计风格的汽车造型。

还有，之前大家在朋友圈里可能看过的，将相片转换成对应的艺术风格的画作。

当前，人工智能已经在图像、语音等多个领域的技术上，取得了全面的突破。与此同时，另外一个问题随之而来，如果这一轮的AI浪潮真的将会掀起新的科技革命，那么在可预见的未来，我们整个互联网都将发生翻天覆地的变化，深刻影响我们的生活。

那么作为普通业务开发工程师的我，又应该以何种态度和方式应对这场时代洪流的冲击呢？

在回答这个问题之前，我们先一起看看上一轮由计算机信息技术引领的科技革命中，过去30多年中国程序员的角色变化：

通过上图可以简总结：编程技术在不断地发展并且走向普及，从最开始掌握在科学家和专家学者手中的技能，逐渐发展为一门大众技能。换而言之，我们公司内很多资深的工程师，如果带着今天对编程和计算机的理解和理念回到1980年，那么他无疑就是那个时代的计算机专家。

如果这一轮AI浪潮真的会带来新的一轮科技革命，那么我们相信，它也会遵循类似的发展轨迹，逐步发展和走向普及。如果基于这个理解，或许，我们可以通过积极学习，争取成为第一代“AI工程师”。

二、深度学习技术

这一轮AI的技术突破，主要源于深度学习技术，而关于AI和深度学习的发展历史我们这里不再重复讲述，大家可自行查阅。

我用了一个多月的业务时间，去了解和学习了深度学习技术，在这里，我尝试以一名业务开发工程师的视角，以尽量容易让大家理解的方式一起探讨下深度学习的原理，尽管，受限于我个人的技术水平和掌握程度，未必完全准确。

1. 人类智能和神经元

人类智能最重要的部分是大脑，大脑虽然复杂，它的组成单元却是相对简单的，大脑皮层以及整个神经系统，是由神经元细胞组成的。而一个神经元细胞，由树突和轴突组成，它们分别代表输入和输出。连在细胞膜上的分叉结构叫树突，是输入，那根长长的“尾巴”叫轴突，是输出。神经元输出的有电信号和化学信号，最主要的是沿着轴突细胞膜表面传播的一个电脉冲。

忽略掉各种细节，神经元，就是一个积累了足够的输入，就产生一次输出（兴奋）的相对简单的装置。

树突和轴突都有大量的分支，轴突的末端通常连接到其他细胞的树突上，连接点上是一个叫“突触”的结构。一个神经元的输出通过突触传递给成千上万个下游的神经元，神经元可以调整突触的结合强度，并且，有的突触是促进下游细胞的兴奋，有的是则是抑制。一个神经元有成千上万个上游神经元，积累它们的输入，产生输出。

人脑有1000亿个神经元，1000万亿个突触，它们组成人脑中庞大的神经网络，最终产生的结果即是人类智能。

2. 人工神经元和神经网络

一个神经元的结构相对来说是比较简单的，于是，科学家们就思考，我们的AI是否可以从中获得借鉴？神经元接受激励，输出一个响应的方式，同计算机中的输入输出非常类似，看起来简直就是量身定做的，刚好可以用一个函数来模拟。

通过借鉴和参考神经元的机制，科学家们模拟出了人工神经元和人工神经网络。当然，通过上述这个抽象的描述和图，比较难让大家理解它的机制和原理。我们以“房屋价格测算”作为例子，一起来看看：

一套房子的价格，会受到很多因素的影响，例如地段、朝向、房龄、面积、银行利率等等，这些因素如果细分，可能会有几十个。一般在深度学习模型里，这些影响结果的因素我们称之为特征。我们先假设一种极端的场景，比如影响价格的特征只有一种，就是房子面积。然后我们收集一批相关的数据，例如，50平米50万、93平米95万等一系列样本数据，如果将这些样本数据放到二维坐标里看，则如下图：

然后，正如我们前面所说的，我们尝试用一个“函数”去拟合这个输入（面积x）和输出（价格y），简而言之，我们就是要通过一条直线或者曲线将这些点“拟合”起来。

假设情况也比较极端，这些点刚好可以用一条“直线”拟合（真实情况通常不会是直线），如下图：

那么我们的函数是一个一次元方程f(x) = ax +b，当然，如果是曲线的话，我们得到的将是多次元方程。我们获得这个f(x) = ax +b的函数之后，接下来就可以做房价“预测”，例如，我们可以计算一个我们从未看见的面积案例81.5平方米，它究竟是多少钱？

这个新的样本案例，可以通过直线找到对应的点（黄色的点），如图下：

粗略的理解，上面就是AI的概括性的运作方式。这一切似乎显得过于简单了？当然不会，因为，我们前面提到，影响房价其实远不止一个特征，而是有几十个，这样问题就比较复杂了，接下来，这里则要继续介绍深度学习模型的训练方式。

这部分内容相对复杂一点，我尽量以业务工程师的视角来做一个粗略而简单的阐述。

3. 深度学习模型的训练方式

当有好几十个特征共同影响价格的时候，自然就会涉及权重分配的问题，例如有一些对房价是主要正权重的，例如地段、面积等，也有一些是负权重的，例如房龄等。

（1）初始化权重计算

那么，第一个步其实是给这些特征加一个权重值，但是，最开始我们根本不知道这些权重值是多少？怎么办呢？不管那么多了，先给它们随机赋值吧。随机赋值，最终计算出来的估算房价肯定是不准确的，例如，它可能将价值100万的房子，计算成了10万。

（2）损失函数

因为现在模型的估值和实际估值差距比较大，于是，我们需要引入一个评估“不准确”程度的衡量角色，也就是损失（loss）函数，它是衡量模型估算值和真实值差距的标准，损失函数越小，则模型的估算值和真实值的察觉越小，而我们的根本目的，就是降低这个损失函数。让刚刚的房子特征的模型估算值，逼近100万的估算结果。

（3）模型调整

通过梯度下降和反向传播，计算出朝着降低损失函数的方向调整权重参数。举一个不恰当的比喻，我们给面积增加一些权重，然后给房子朝向减少一些权重（实际计算方式，并非针对单个个例特征的调整），然后损失函数就变小了。

（4）循环迭代

调整了模型的权重之后，就可以又重新取一批新的样本数据，重复前面的步骤，经过几十万次甚至更多的训练次数，最终估算模型的估算值逼近了真实值结果，这个模型的则是我们要的“函数”。

为了让大家更容易理解和直观，采用的例子比较粗略，并且讲述深度学习模型的训练过程，中间省略了比较多的细节。

讲完了原理，那么我们就开始讲讲如何学习和搭建demo。

三、深度学习环境搭建

在2个月前，人工智能对我来说，只是一个高大上的概念。但是，经过一个多月的业余时间的认真学习，我发现还是能够学到一些东西，并且跑一些demo和应用出来的。

1. 学习的提前准备

（1）部分数学内容的复习，高中数学、概率、线性代数等部分内容。（累计花费了10个小时，挑了关键的点看了下，其实还是不太够，只能让自己看公式的时候，相对没有那么懵）

（2）Python基础语法学习。（花费了3个小时左右，我以前从未写过Python，因为后面Google的TensorFlow框架的使用是基于Python的）

（3）Google的TensorFlow深度学习开源框架。（花费了10多个小时去看）

数学基础好或者前期先不关注原理的同学，数学部分不看也可以开始做，全凭个人选择。

2. Google的TensorFlow开源深度学习框架

深度学习框架，我们可以粗略的理解为是一个“数学函数”集合和AI训练学习的执行框架。通过它，我们能够更好的将AI的模型运行和维护起来。

深度学习的框架有各种各样的版本（Caffe、Torch、Theano等等），我只接触了Google的TensorFlow，因此，后面的内容都是基于TensorFlow展开的，它的详细介绍这里不展开讲述，建议直接进入官网查看。非常令人庆幸的是TensorFlow比较早就有中文社区了，尽管里面的内容有一点老，搭建环境方面有一些坑，但是已经属于为数不多的中文文档了，大家且看且珍惜。

TensorFlow的中文社区：

http://www.tensorfly.cn/

TensorFlow的英文社区：

https://www.tensorflow.org/

3. TensorFlow环境搭建

环境搭建本身并不复杂，主要解决相关的依赖。但是，基础库的依赖可以带来很多问题，因此，建议尽量一步到位，会简单很多。

（1）操作系统

我搭建环境使用的机器是腾讯云上的机器，软件环境如下：

操作系统：CentOS 7.2 64位（GCC 4.8.5）

因为这个框架依赖于python2.7和glibc 2.17。比较旧的版本的CentOS一般都是python2.6以及版本比较低的glibc，会产生比较的多基础库依赖问题。而且，glibc作为Linux的底层库，牵一发动全身，直接对它升级是比较复杂，很可能会带来更多的环境异常问题。

（2）软件环境

我目前安装的Python版本是python-2.7.5，建议可以采用yum install python的方式安装相关的原来软件。然后，再安装 python内的组件包管理器pip，安装好pip之后，接下来的其他软件的安装就相对比较简单了。

例如安装TensorFlow，可通过如下一句命令完成（它会自动帮忙解决一些库依赖问题）：

pip install -U tensorflow

这里需要特别注意的是，不要按照TensorFlow的中文社区的指引去安装，因为它会安装一个非常老的版本（0.5.0），用这个版本跑很多demo都会遇到问题的。而实际上，目前通过上述提供的命令安装，是tensorflow (1.0.0)的版本了。

Python（2.7.5）下的其他需要安装的关键组件：

• tensorflow (0.12.1)，深度学习的核心框架
• image (1.5.5)，图像处理相关，部分例子会用到
• PIL (1.1.7)，图像处理相关，部分例子会用到

除此之后，当然还有另外的一些依赖组件，通过pip list命令可以查看我们安装的python组件：

• appdirs (1.4.0)
• backports.ssl-match-hostname (3.4.0.2)
• chardet (2.2.1)
• configobj (4.7.2)
• decorator (3.4.0)
• Django (1.10.4)
• funcsigs (1.0.2)
• image (1.5.5)
• iniparse (0.4)
• kitchen (1.1.1)
• langtable (0.0.31)
• mock (2.0.0)
• numpy (1.12.0)
• packaging (16.8)
• pbr (1.10.0)
• perf (0.1)
• PIL (1.1.7)
• Pillow (3.4.2)
• pip (9.0.1)
• protobuf (3.2.0)
• pycurl (7.19.0)
• pygobject (3.14.0)
• pygpgme (0.3)
• pyliblzma (0.5.3)
• pyparsing (2.1.10)
• python-augeas (0.5.0)
• python-dmidecode (3.10.13)
• pyudev (0.15)
• pyxattr (0.5.1)
• setuptools (34.2.0)
• six (1.10.0)
• slip (0.4.0)
• slip.dbus (0.4.0)
• tensorflow (1.0.0)
• urlgrabber (3.10)
• wheel (0.29.0)
• yum-langpacks (0.4.2)
• yum-metadata-parser (1.1.4)

按照上述提供的来搭建系统，可以规避不少的环境问题。

搭建环境的过程中，我遇到不少问题。

例如：在跑官方的例子时的某个报错，AttributeError: 'module' object has no attribute 'gfile'，就是因为安装的TensorFlow的版本比较老，缺少gfile模块导致的。而且，还有各种各样的。（不要问我是怎么知道的，说多了都是泪啊~）

更详细的安装说明：

https://www.tensorflow.org/install/install_linux

（3）TensorFlow环境测试运行

测试是否安装成功，可以采用官方的提供的一个短小的例子，demo生成了一些三维数据, 然后用一个平面拟合它们（官网的例子采用的初始化变量的函数是initialize_all_variables，该函数在新版本里已经被废弃了）：

#!/usr/bin/python
#coding=utf-8

import tensorflow as tf
import numpy as np

# 使用 NumPy 生成假数据(phony data), 总共 100 个点.
x_data = np.float32(np.random.rand(2, 100)) # 随机输入
y_data = np.dot([0.100, 0.200], x_data) + 0.300

# 构造一个线性模型
#
b = tf.Variable(tf.zeros([1]))
W = tf.Variable(tf.random_uniform([1, 2], -1.0, 1.0))
y = tf.matmul(W, x_data) + b

# 最小化方差
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y - y_data))
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5)
train = optimizer.minimize(loss)

# 初始化变量,旧函数（initialize_all_variables）已经被废弃，替换为新函数
init = tf.global_variables_initializer()

# 启动图 (graph)
sess = tf.Session()
sess.run(init)

# 拟合平面
for step in xrange(0, 201):
    sess.run(train)
    if step % 20 == 0:
        print step, sess.run(W), sess.run(b)

# 得到最佳拟合结果 W: [[0.100  0.200]], b: [0.300]

运行的结果类似如下：

经过200次的训练，模型的参数逐渐逼近最佳拟合的结果（W: [[0.100 0.200]], b: [0.300]），另外，我们也可以从代码的“风格”中，了解到框架样本训练的基本运行方式。虽然，官方的教程后续会涉及越来越多更复杂的例子，但从整体上看，也是类似的模式。

步骤划分：

• 准备数据：获得有标签的样本数据（带标签的训练数据称为有监督学习）；

• 设置模型：先构建好需要使用的训练模型，可供选择的机器学习方法其实也挺多的，换而言之就是一堆数学函数的集合；

• 损失函数和优化方式：衡量模型计算结果和真实标签值的差距；

• 真实训练运算：训练之前构造好的模型，让程序通过循环训练和学习，获得最终我们需要的结果“参数”；

• 验证结果：采用之前模型没有训练过的测试集数据，去验证模型的准确率。

其中，TensorFlow为了基于python实现高效的数学计算，通常会使用到一些基础的函数库，例如Numpy（采用外部底层语言实现），但是，从外部计算切回到python也是存在开销的，尤其是在几万几十万次的训练过程。因此，Tensorflow不单独地运行单一的函数计算，而是先用图描述一系列可交互的计算操作流程，然后全部一次性提交到外部运行（在其他机器学习的库里，也是类似的实现）。所以，上述流程图中，蓝色部分都只是设置了“计算操作流程”，而绿色部分开始才是真正的提交数据给到底层库进行实际运算，而且，每次训练一般是批量执行一批数据的。

四、经典入门demo：识别手写数字（MNIST）

常规的编程入门有“Hello world”程序，而深度学习的入门程序则是MNIST，一个识别28*28像素的图片中的手写数字的程序。

MNIST的数据和官网：

http://yann.lecun.com/exdb/mnist/

深度学习的内容，其背后会涉及比较多的数学原理，作为一个初学者，受限于我个人的数学和技术水平，也许并不足以准确讲述相关的数学原理，因此，本文会更多的关注“应用层面”，不对背后的数学原理进行展开，感谢谅解。

1. 加载数据

程序执行的第一步当然是加载数据，根据我们之前获得的数据集主要包括两部分：60000的训练数据集（mnist.train）和10000的测试数据集（mnist.test）。里面每一行，是一个2828=784的数组，数组的本质就是将2828像素的图片，转化成对应的像素点阵。

例如手写字1的图片转换出来的对应矩阵表示如下：

之前我们经常听说，图片方面的深度学习需要大量的计算能力，甚至需要采用昂贵、专业的GPU（Nvidia的GPU），从上述转化的案例我们就已经可以获得一些答案了。一张784像素的图片，对学习模型来说，就有784个特征，而我们实际的相片和图片动辄几十万、百万级别，则对应的基础特征数也是这个数量级，基于这样数量级的数组进行大规模运算，没有强大的计算能力支持，确实寸步难行。当然，这个入门的MNIST的demo还是可以比较快速的跑完。

Demo中的关键代码（读取并且加载数据到数组对象中，方便后面使用）：

2. 构建模型

MNIST的每一张图片都表示一个数字，从0到9。而模型最终期望获得的是：给定一张图片，获得代表每个数字的概率。比如说，模型可能推测一张数字9的图片代表数字9的概率是80%但是判断它是8的概率是5%（因为8和9都有上半部分的小圆），然后给予它代表其他数字的概率更小的值。

MNIST的入门例子，采用的是softmax回归(softmax regression)，softmax模型可以用来给不同的对象分配概率。

为了得到一张给定图片属于某个特定数字类的证据（evidence），我们对图片的784个特征（点阵里的各个像素值）进行加权求和。如果某个特征（像素值）具有很强的证据说明这张图片不属于该类，那么相应的权重值为负数，相反如果某个特征（像素值）拥有有利的证据支持这张图片属于这个类，那么权重值是正数。类似前面提到的房价估算例子，对每一个像素点作出了一个权重分配。

假设我们获得一张图片，需要计算它是8的概率，转化成数学公式则如下：

公式中的i代表需要预测的数字（8），代表预测数字为8的情况下，784个特征的不同权重值，代表8的偏置量（bias），X则是该图片784个特征的值。通过上述计算，我们则可以获得证明该图片是8的证据（evidence）的总和，softmax函数可以把这些证据转换成概率 y。（softmax的数学原理，辛苦各位查询相关资料哈）

将前面的过程概括成一张图（来自官方）则如下：

不同的特征x和对应不同数字的权重进行相乘和求和，则获得在各个数字的分布概率，取概率最大的值，则认为是我们的图片预测结果。

将上述过程写成一个等式，则如下：

该等式在矩阵乘法里可以非常简单地表示，则等价为：

不展开里面的具体数值，则可以简化为：

如果我们对线性代数中矩阵相关内容有适当学习，其实，就会明白矩阵表达在一些问题上，更易于理解。如果对矩阵内容不太记得了，也没有关系，后面我会附加上线性代数的视频。

虽然前面讲述了这么多，其实关键代码就四行：

上述代码都是类似变量占位符，先设置好模型计算方式，在真实训练流程中，需要批量读取源数据，不断给它们填充数据，模型计算才会真实跑起来。tf.zeros则表示，先给它们统一赋值为0占位。X数据是从数据文件中读取的，而w、b是在训练过程中不断变化和更新的，y则是基于前面的数据进行计算得到。

3. 损失函数和优化设置

为了训练我们的模型，我们首先需要定义一个指标来衡量这个模型是好还是坏。这个指标称为成本（cost）或损失（loss），然后尽量最小化这个指标。简单的说，就是我们需要最小化loss的值，loss的值越小，则我们的模型越逼近标签的真实结果。

Demo中使用的损失函数是“交叉熵”（cross-entropy），它的公式如下：

y 是我们预测的概率分布, y' 是实际的分布（我们输入的)，交叉熵是用来衡量我们的预测结果的不准确性。TensorFlow拥有一张描述各个计算单元的图，也就是整个模型的计算流程，它可以自动地使用反向传播算法(backpropagation algorithm)，来确定我们的权重等变量是如何影响我们想要最小化的那个loss值的。然后，TensorFlow会用我们设定好的优化算法来不断修改变量以降低loss值。

其中，demo采用梯度下降算法（gradient descent algorithm）以0.01的学习速率最小化交叉熵。梯度下降算法是一个简单的学习过程，TensorFlow只需将每个变量一点点地往使loss值不断降低的方向更新。

对应的关键代码如下：

备注内容：

交叉熵：http://colah.github.io/posts/2015-09-Visual-Information/

反向传播：http://colah.github.io/posts/2015-08-Backprop/

在代码中会看见one-hot vector的概念和变量名，其实这个是个非常简单的东西，就是设置一个10个元素的数组，其中只有一个是1，其他都是0，以此表示数字的标签结果。

例如表示数字3的标签值：

[0,0,0,1,0,0,0,0,0,0]

4. 训练运算和模型准确度测试

通过前面的实现，我们已经设置好了整个模型的计算“流程图”，它们都成为TensorFlow框架的一部分。于是，我们就可以启动我们的训练程序，下面的代码的含义是，循环训练我们的模型500次，每次批量取50个训练样本。

其训练过程，其实就是TensorFlow框架的启动训练过程，在这个过程中，python批量地将数据交给底层库进行处理。

我在官方的demo里追加了两行代码，每隔50次则额外计算一次当前模型的识别准确率。它并非必要的代码，仅仅用于方便观察整个模型的识别准确率逐步变化的过程。

当然，里面涉及的accuracy（预测准确率）等变量，需要在前面的地方定义占位：

当我们训练完毕，则到了验证我们的模型准确率的时候，和前面相同：

我的demo跑出来的结果如下（softmax回归的例子运行速度还是比较快的），当前的准确率是0.9252：

5. 实时查看参数的数值的方法

刚开始跑官方的demo的时候，我们总想将相关变量的值打印出来看看，是怎样一种格式和状态。从demo的代码中，我们可以看见很多的Tensor变量对象，而实际上这些变量对象都是无法直接输出查看，粗略地理解，有些只是占位符，直接输出的话，会获得类似如下的一个对象：

Tensor("Equal:0", shape=(?,), dtype=bool)

既然它是占位符，那么我们就必须喂一些数据给它，它才能将真实内容展示出来。因此，正确的方法是，在打印时通常需要加上当前的输入数据给它。

例如，查看y的概率数据：

print(sess.run(y, feed_dict={x: batch_xs, y_: batch_ys}))

部分非占位符的变量还可以这样输出来：

print(W.eval())

总的来说，92%的识别准确率是比较令人失望，因此，官方的MNIST其实也有多种模型的不同版本，其中比较适合图片处理的CNN(卷积神经网络)的版本，可以获得99%以上的准确率，当然，它的执行耗时也是比较长的。

（备注：cnn_mnist.py就是卷积神经网络版本的，后面有附带微云网盘的下载url）

前馈神经网络（feed-forward neural network）版本的MNIST，可达到97%：

分享在微云上的数据和源码：

http://url.cn/44aZOpP

（备注：国外网站下载都比较慢，我这份下载相对会快一些，在环境已经搭建完毕的情况下，执行里面的run.py即可）

五、和业务场景结合的demo：预测用户是否是超级会员身份

根据前面的内容，我们对上述基于softmax只是三层（输入、处理、输出）的神经网络模型已经比较熟悉，那么，这个模型是否可以应用到我们具体的业务场景中，其中的难度大吗？为了验证这一点，我拿了一些现网的数据来做了这个试验。

1. 数据准备

我将一个现网的电影票活动的用户参与数据，包括点击过哪些按钮、手机平台、IP地址、参与时间等信息抓取了出来。其实这些数据当中是隐含了用户的身份信息的，例如，某些礼包的必须是超级会员身份才能领取，如果这个按钮用户点击领取成功，则可以证明该用户的身份肯定是超级会员身份。当然，我只是将这些不知道相不相关的数据特征直观的整理出来，作为我们的样本数据，然后对应的标签为超级会员身份。

用于训练的样本数据格式如下：

第一列是QQ号码，只做认知标识的，第二列表示是否超级会员身份，作为训练的标签值，后面的就是IP地址，平台标志位以及参与活动的参与记录（0是未成功参与，1表示成功参与）。则获得一个拥有11个特征的数组（经过一些转化和映射，将特别大的数变小）：

[0.9166666666666666, 0.4392156862745098, 0.984313725490196, 0.7411764705882353, 0.2196078431372549, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0]

对应的是否是超级数据格式如下，作为监督学习的标签：

超级会员：[0, 1]
非超级会员：[1, 0]

这里需要专门解释下，在实际应用中需要做数据转换的原因。一方面，将这些数据做一个映射转化，有助于简化数据模型。另一方面，是为了规避NaN的问题，当数值过大，在一些数学指数和除法的浮点数运算中，有可能得到一个无穷大的数值，或者其他溢出的情形，在Python里会变为NaN类型，这个类型会破坏掉后续全部计算结果，导致计算异常。

例如下图，就是特征数值过大，在训练过程中，导致中间某些参数累计越来越大，最终导致产生NaN值，后续的计算结果全部被破坏掉：

而导致NaN的原因在复杂的数学计算里，会产生无穷大或者无穷小。例如，在我们的这个demo中，产生NaN的原因，主要是因为softmax的计算导致。

RuntimeWarning: divide by zero encountered in log

刚开始做实际的业务应用，就发现经常跑出极奇怪异的结果（遇到NaN问题，我发现程序也能继续走下去），几经排查才发现是NAN值问题，是非常令人沮丧的。当然，经过仔细分析问题，发现也并非没有排查的方式。因为，NaN值是个奇特的类型，可以采用下述编码方式NaN != NaN来检测自己的训练过程中，是否出现的NaN。

关键程序代码如下：

我采用上述方法，非常顺利地找到自己的深度学习程序，在学习到哪一批数据时产生的NaN。因此，很多原始数据我们都会做一个除以某个值，让数值变小的操作。例如官方的MNIST也是这样做的，将256的像素颜色的数值统一除以255，让它们都变成一个小于1的浮点数。

MNIST在处理原始图片像素特征数据时，也对特征数据进行了变小处理：

NaN值问题一度深深地困扰着我（往事不堪回首-__-!!），特别放到这里，避免入门的同学踩坑。

2. 执行结果

我准备的训练集（6700）和测试集（1000）数据并不多，不过，超级会员身份的预测准确率最终可以达到87%。虽然，预测准确率是不高，这个可能和我的训练集数据比较少有关系，不过，整个模型也没有花费多少时间，从整理数据、编码、训练到最终跑出结果，只用了2个晚上的时间。

下图是两个实际的测试例子，例如，该模型预测第一个QQ用户有82%的概率是非超级会员用户，17.9%的概率为超级会员用户（该预测是准确的）。

通过上面的这个例子，我们会发觉其实对于某些比较简单的场景下应用，我们是可以比较容易就实现的。

六、其他模型

1. CIFAR-10识别图片分类的demo（官方）

CIFAR-10数据集的分类是机器学习中一个公开的基准测试问题，它任务是对一组32x32RGB的图像进行分类，这些图像涵盖了10个类别：飞机， 汽车， 鸟， 猫， 鹿， 狗， 青蛙， 马， 船和卡车。

这也是官方的重要demo之一。

更详细的介绍内容：

http://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html

http://tensorfly.cn/tfdoc/tutorials/deep_cnn.html

该例子执行的过程比较长，需要耐心等待。

我在机器上的执行过程和结果：

cifar10_train.py用于训练：

cifar10_eval.py用于检验结果：

识别率不高是因为该官方模型的识别率本来就不高：

另外，官方的例子我首次在1月5日跑的时候，还是有一些小问题的，无法跑起来（最新的官方可能已经修正），建议可以直接使用我放到微云上的版本（代码里面的log和读取文件的路径，需要调整一下）。

源码下载：http://url.cn/44mRzBh

微云盘里，不含训练集和测试集的图片数据，但是，程序如果检测到这些图片不存在，会自行下载：

2. 是否大于5岁的测试demo

为了检验softmax回归模型是否能够学习到一些我自己设定好的规则，我做了一个小demo来测试。我通过随机数生成的方式构造了一系列的数据，让前面的softmax回归模型去学习，最终看看模型能否通过训练集的学习，最终100%预测这个样本数据是否大于5岁。

模型和数据本身都比较简单，构造的数据的方式：

我随机构造一个只有2个特征纬度的样本数据，[year, 1]，其中year随机取值0-10，数字1是放进去作为干扰。

如果year大于5岁，则标签设置为：[0, 0, 1]；

否则，标签设置为：[0, 1, 0]。

生成了6000条假训练集去训练该模型，最终它能做到100%成功预测准确：

微云下载（源码下载）：

http://url.cn/44mKFNK

3. 基于RNN的古诗学习

最开头的AI写古诗，非常令人感到惊艳，那个demo是美国的一个研究者做出来的，能够根据主题生成不能的古诗，而且古诗的质量还比较高。于是，我也尝试在自己的机器上也跑一个能够写古诗的模型，后来我找到的是一个基于RNN的模型。RNN循环神经网络(Recurrent Neural Networks)，是非常常用的深度学习模型之一。我基于一个外部的demo，进行一些调整后跑起一个能够学习古诗和写古诗的比较简单的程序。

执行写诗（让它写了十首）：

• 抑滴留居潋罅斜，二川还羡五侯家。古刘称士身相染，桃李栽林欲称家。回首二*喘日，万当仙性尽甘无。如何羽马嘶来泪，不信红峰一寸西。

• 废寺松阴月似空，垂杨风起晚光催。乌心不把嫌香径，出定沧洲几好清。兰逐白头邻斧蝶，苍苍归路自清埃。渔樵若欲斜阳羡，桂苑西河碧朔来。

• 遥天花落甚巫山，凤珮飞驰不骋庄。翠初才象饮毫势，上月朱炉一重牛。香催戍渚同虚客，石势填楼取蕊红。佳句旧清箱畔意，剪颜相激菊花繁。

• 江上萧条第一取，名长经起月还游。数尺温皋云战远，放船乡鬼蘸云多。相逢槛上西风动，莫听风烟认钓鱼。堤费禽雏应昨梦，去朝从此满玄尘。

• 避命抛醺背暮时，见川谁哭梦知年。却随筵里腥消极，不遇嘉唐两带春。大岁秘魔窥石税，鹤成应听白云中。朝浮到岸鸱巇恨，不向青青听径长。

• 楚田馀绝宇氤氲，细雨洲头万里凉。百叶长看如不尽，水东春夜足残峰。湖头风浪斜暾鼓，北阙别罹初里村。山在四天三顾客，辘轳争养抵丹墀。

• 九日重门携手时，吟疑须渴辞金香。钓来犹绕结茶酒，衣上敬亭宁强烧。自明不肯疑恩日，琴馆寒霖急暮霜。划口濡于孤姹末，出谢空卿寄银机。莲龛不足厌丝屦，华骑敷砧出钓矶。

• 为到席中逢旧木，容华道路不能休。时闲客后多时石，暗水天边暖人说。风弄霜花嗥明镜，犀成磨逐乍牵肠。何劳相听真行侍，石石班场古政蹄。

• 听巾邑外见朱兰，杂时临厢北满香。门外玉坛花府古，香牌风出即升登。陵桥翠黛销仙妙，晓接红楼叠影闻。敢把苦谣金字表，应从科剑独频行。

• 昨日荣枯桃李庆，紫骝坚黠自何侵。险知河在皆降月，汉县烟波白发来。仍省封身明月阁，不知吹水洽谁非。更拟惭送风痕去，只怕鲸雏是后仙。

另外，我抽取其中一些个人认为写得比较好的诗句（以前跑出来的，不在上图中）：

该模型比较简单，写诗的水平不如最前面我介绍的美国研究者demo，但是，所采用的基本方法应该是类似的，只是他做的更为复杂。

另外，这是一个通用模型，可以学习不同的内容（古诗、现代诗、宋词或者英文诗等），就可以生成对应的结果。

七、深度学习入门体会

1. 人工智能和深度学习技术并不神秘，更像是一个新型的工具，通过喂数据给它，然后，它能发现这些数据背后的规律，并为我们所用。

2. 数学基础比较重要，这样有助于理解模型背后的数学原理，不过，从纯应用角度来说，并不一定需要完全掌握数学，也可以提前开始做一些尝试和学习。

3. 我深深地感到计算资源非常缺乏，每次调整程序的参数或训练数据后，跑完一次训练集经常要很多个小时，部分场景不跑多一些训练集数据，看不出差别，例如写诗的案例。个人感觉，这个是制约AI发展的重要问题，它直接让程序的“调试”效率非常低下。

4. 中文文档比较少，英文文档也不多，开源社区一直在快速更新，文档的内容过时也比较快。因此，入门学习时遇到的问题会比较多，并且缺乏成型的文档。

八、小结

我不知道人工智能的时代是否真的会来临，也不知道它将要走向何方，但是，毫无疑问，它是一种全新的技术思维模式。更好的探索和学习这种新技术，然后在业务应用场景寻求结合点，最终达到帮助我们的业务获得更好的成果，一直以来，就是我们工程师的核心宗旨。

另一方面，对发展有重大推动作用的新技术，通常会快速的发展并且走向普及，就如同我们的编程一样。

因此，人人都可以做深度学习应用，并非只是一句噱头。

参考文档：

http://www.tensorfly.cn/

https://www.tensorflow.org/

数学相关的内容：

高中和大学数学部分内容

http://url.cn/44r6LAQ

线性代数视频：

http://open.163.com/special/opencourse/daishu.html