「导语」模型的训练与评估是整个机器学习任务流程的核心环节。只有掌握了正确的训练与评估方法,并灵活使用,才能使我们更加快速地进行实验分析与验证,从而对模型有更加深刻的理解。
前言
在上一篇 Keras
模型构建的文章中,我们介绍了在 TensorFlow 2.x
版本中使用 Keras
构建模型的三种方法,那么本篇将在上一篇的基础上着重介绍使用 Keras
模型进行本地训练、评估以及预测的流程和方法。 Keras
模型有两种训练评估的方式,一种方式是使用模型内置 API
,如 model.fit()
, model.evaluate()
和 model.predict()
等分别执行不同的操作;另一种方式是利用即时执行策略 (eager execution
) 以及 GradientTape
对象自定义训练和评估流程。对所有 Keras
模型来说这两种方式都是按照相同的原理来工作的,没有本质上的区别。在一般情况下,我们更愿意使用第一种训练评估方式,因为它更为简单,更易于使用,而在一些特殊的情况下,我们可能会考虑使用自定义的方式来完成训练与评估。
内置 API 进行训练评估
端到端完整示例
下面介绍使用模型内置 API
实现的一个端到端的训练评估示例,可以认为要使用该模型去解决一个多分类问题。这里使用了函数式 API
来构建 Keras
模型,当然也可以使用 Sequential
方式以及子类化方式去定义模型。示例代码如下所示:
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import numpy as np
x_train, y_train = (
np.random.random((60000, 784)),
np.random.randint(10, size=(60000, 1)),
)
x_test, y_test = (
np.random.random((10000, 784)),
np.random.randint(10, size=(10000, 1)),
)
x_val = x_train[-10000:]
y_val = y_train[-10000:]
x_train = x_train[:-10000]
y_train = y_train[:-10000]
inputs = keras.Input(shape=(784, ), name='digits')
x = layers.Dense(64, activation='relu', name='dense_1')(inputs)
x = layers.Dense(64, activation='relu', name='dense_2')(x)
outputs = layers.Dense(10, name='predictions')(x)
model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(),
loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
metrics=['sparse_categorical_accuracy'],
)
print('# Fit model on training data')
history = model.fit(
x_train,
y_train,
batch_size=64,
epochs=3,
validation_data=(x_val, y_val),
)
print('\nhistory dict:', history.history)
print('\n# Evaluate on test data')
results = model.evaluate(x_test, y_test, batch_size=128)
print('test loss, test acc:', results)
print('\n# Generate predictions for 3 samples')
predictions = model.predict(x_test[:3])
print('predictions shape:', predictions.shape)
从代码中可以看到,要完成模型的训练与评估的整体流程,首先要构建好模型;然后要对模型进行编译 (compile
),目的是指定模型训练过程中需要用到的优化器 (optimizer
),损失函数 (losses
) 以及评估指标 (metrics
) ;接着开始进行模型的训练与交叉验证 (fit
),此步骤需要提前指定好训练数据和验证数据,并设置好一些参数如 epochs
等才能继续,交叉验证操作会在每轮 (epoch
) 训练结束后自动触发;最后是模型评估 (evaluate
) 与预测 (predict
),我们会根据评估与预测结果来判断模型的好坏。这样一个完整的模型训练与评估流程就完成了,下面来对示例里的一些实现细节进行展开讲解。
模型编译 (compile)
在模型训练之前首先要进行模型编译,因为只有知道了要优化什么目标,如何进行优化以及要关注什么指标,模型才能被正确的训练与调整。 compile
方法包含三个主要参数,一个是待优化的损失 (loss
) ,它指明了要优化的目标,一个是优化器 (optimizer
),它指明了目标优化的方向,还有一个可选的指标项 (metrics
),它指明了训练过程中要关注的模型指标。 Keras API
中已经包含了许多内置的损失函数,优化器以及指标,可以拿来即用,能够满足大多数的训练需要。
损失函数类主要在 tf.keras.losses
模块下,其中包含了多种预定义的损失,比如我们常用的二分类损失 BinaryCrossentropy
,多分类损失 CategoricalCrossentropy
以及均方根损失 MeanSquaredError
等。传递给 compile
的参数既可以是一个字符串如 binary_crossentropy
也可以是对应的 losses
实例如 tf.keras.losses.BinaryCrossentropy()
,当我们需要设置损失函数的一些参数时(比如上例中 from_logits=True
),则需要使用实例参数。
优化器类主要在 tf.keras.optimizers
模块下,一些常用的优化器如 SGD
, Adam
以及 RMSprop
等均包含在内。同样它也可以通过字符串或者实例的方式传给 compile
方法,一般我们需要设置的优化器参数主要为学习率 (learning rate
) ,其他的参数可以参考每个优化器的具体实现来动态设置,或者直接使用其默认值即可。
指标类主要在 tf.keras.metrics
模块下,二分类里常用的 AUC
指标以及 lookalike
里常用的召回率 (Recall
) 指标等均有包含。同理,它也可以以字符串或者实例的形式传递给 compile
方法,注意 compile
方法接收的是一个 metric
列表,所以可以传递多个指标信息。
当然如果 losses
模块下的损失或 metrics
模块下的指标不满足你的需求,也可以自定义它们的实现。
5.1. 对于自定义损失,有两种方式,一种是定义一个损失函数,它接收两个输入参数 y_true
和 y_pred
,然后在函数内部计算损失并返回。代码如下:
def basic_loss_function(y_true, y_pred):
return tf.math.reduce_mean(tf.abs(y_true - y_pred))
model.compile(optimizer=keras.optimizers.Adam(), loss=basic_loss_function)
5.2. 如果你需要的损失函数不仅仅包含上述两个参数,则可以采用另外一种子类化的方式来实现。定义一个类继承自 tf.keras.losses.Loss
类,并实现其 __init__(self)
和 call(self, y_true, y_pred)
方法,这种实现方式与子类化层和模型比较相似。比如要实现一个加权的二分类交叉熵损失,其代码如下:
class WeightedBinaryCrossEntropy(keras.losses.Loss):
"""
Args:
pos_weight: Scalar to affect the positive labels of the loss function.
weight: Scalar to affect the entirety of the loss function.
from_logits: Whether to compute loss from logits or the probability.
reduction: Type of tf.keras.losses.Reduction to apply to loss.
name: Name of the loss function.
"""
def __init__(self,
pos_weight,
weight,
from_logits=False,
reduction=keras.losses.Reduction.AUTO,
name='weighted_binary_crossentropy'):
super().__init__(reduction=reduction, name=name)
self.pos_weight = pos_weight
self.weight = weight
self.from_logits = from_logits
def call(self, y_true, y_pred):
ce = tf.losses.binary_crossentropy(
y_true,
y_pred,
from_logits=self.from_logits,
)[:, None]
ce = self.weight * (ce * (1 - y_true) + self.pos_weight * ce * y_true)
return ce
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.Adam(),
loss=WeightedBinaryCrossEntropy(
pos_weight=0.5,
weight=2,
from_logits=True,
),
)
5.3. 对于自定义指标,也可以通过子类化的方式来实现,首先定义一个指标类继承自 tf.keras.metrics.Metric
类并实现其四个方法,分别是 __init__(self)
方法,用来创建状态变量, update_state(self, y_true, y_pred, sample_weight=None)
方法,用来更新状态变量, result(self)
方法,用来返回状态变量的最终结果, 以及 reset_states(self)
方法,用来重新初始化状态变量。比如要实现一个多分类中真正例 (True Positives) 数量
的统计指标,其代码如下:
class CategoricalTruePositives(keras.metrics.Metric):
def __init__(self, name='categorical_true_positives', **kwargs):
super().__init__(name=name, **kwargs)
self.true_positives = self.add_weight(name='tp', initializer='zeros')
def update_state(self, y_true, y_pred, sample_weight=None):
y_pred = tf.reshape(tf.argmax(y_pred, axis=1), shape=(-1, 1))
values = tf.cast(y_true, 'int32') == tf.cast(y_pred, 'int32')
values = tf.cast(values, 'float32')
if sample_weight is not None:
sample_weight = tf.cast(sample_weight, 'float32')
values = tf.multiply(values, sample_weight)
self.true_positives.assign_add(tf.reduce_sum(values))
def result(self):
return self.true_positives
def reset_states(self):
self.true_positives.assign(0.)
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(learning_rate=1e-3),
loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
metrics=[CategoricalTruePositives()],
)
5.4. 对于一些在层 (layers
) 内部定义的损失,可以通过在自定义层的 call
方法里调用 self.add_loss()
来实现,而且在模型训练时,它会自动添加到整体的损失中,不用人为干预。通过对比加入自定义损失前后模型训练输出的 loss
值的变化来确认这部分损失是否被加入到了整体的损失中。还可以在 build
模型后,打印 model.losses
来查看该模型的所有损失。注意正则化损失是内置在 Keras
的所有层中的,只需要在调用层时加入相应正则化参数即可,无需在 call
方法中 add_loss()
。
5.5. 对于指标信息来说,可以在自定义层的 call
方法里调用 self.add_metric()
来新增指标,同样的,它也会自动出现在整体的指标中,无需人为干预。
5.6. 函数式 API
实现的模型,可以通过调用 model.add_loss()
和 model.add_metric()
来实现与自定义模型同样的效果。示例代码如下:
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
inputs = keras.Input(shape=(784, ), name='digits')
x1 = layers.Dense(64, activation='relu', name='dense_1')(inputs)
x2 = layers.Dense(64, activation='relu', name='dense_2')(x1)
outputs = layers.Dense(10, name='predictions')(x2)
model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)
model.add_loss(tf.reduce_sum(x1) * 0.1)
model.add_metric(
keras.backend.std(x1),
name='std_of_activation',
aggregation='mean',
)
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(1e-3),
loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
)
model.fit(x_train, y_train, batch_size=64, epochs=1)
如果要编译的是多输入多输出模型,则可以为每一个输出指定不同的损失函数以及不同的指标,后面会详细介绍。
模型训练与验证 (fit)
模型的训练通过调用 model.fit()
方法来实现, fit
方法包括训练数据与验证数据参数,它们可以是 numpy
类型数据,也可以是 tf.data
模块下 dataset
类型的数据。另外 fit
方法还包括 epochs
, batch_size
以及 steps_per_epoch
等控制训练流程的参数,并且还可以通过 callbacks
参数控制模型在训练过程中执行一些其它的操作,如 Tensorboard
日志记录等。
模型的训练和验证数据可以是 numpy
类型数据,最开始的端到端示例即是采用 numpy
数组作为输入。一般在数据量较小且内存能容下的情况下采用 numpy
数据作为训练和评估的数据输入。
2.1. 对于 numpy
类型数据来说,如果指定了 epochs
参数,则训练数据的总量为原始样本数量 * epochs
。
2.2. 默认情况下一轮训练 (epoch
) 所有的原始样本都会被训练一遍,下一轮训练还会使用这些样本数据进行训练,每一轮执行的步数 (steps
) 为原始样本数量/batch_size
,如果 batch_size
不指定,默认为 32
。交叉验证在每一轮训练结束后
触发,并且也会在所有验证样本上执行一遍,可以指定 validation_batch_size
来控制验证数据的 batch
大小,如果不指定默认同 batch_size
。
2.3. 对于 numpy
类型数据来说,如果设置了 steps_per_epoch
参数,表示一轮要训练指定的步数,下一轮会在上轮基础上使用下一个 batch
的数据继续进行训练,直到所有的 epochs
结束或者训练数据的总量
被耗尽。要想训练流程不因数据耗尽而结束,则需要保证数据的总量
要大于 steps_per_epoch * epochs * batch_size
。同理也可以设置 validation_steps
,表示交叉验证所需步数,此时要注意验证集的数据总量要大于 validation_steps * validation_batch_size
。
2.4. fit
方法还提供了另外一个参数 validation_split
来自动从训练数据集中保留一定比例的数据作为验证,该参数取值为 0-1
之间,比如 0.2
代表 20%
的训练集用来做验证, fit
方法会默认保留 numpy
数组最后面 20%
的样本作为验证集。
TensorFlow 2.0
之后,更为推荐的是使用 tf.data
模块下 dataset
类型的数据作为训练和验证的数据输入,它能以更加快速以及可扩展的方式加载和预处理数据。
3.1. 使用 dataset
进行训练的代码如下:
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
train_dataset = train_dataset.shuffle(buffer_size=1024).batch(64)
val_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_val, y_val))
val_dataset = val_dataset.batch(64)
test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test))
test_dataset = test_dataset.batch(64)
model.fit(train_dataset, epochs=3, validation_data=val_dataset)
result = model.evaluate(test_dataset)
3.2. dataset
一般是一个二元组,第一个元素为模型的输入特征,如果为多输入就是多个特征的字典 (dict
) 或元组 (tuple
),第二个元素是真实的数据标签 (label
) ,即 ground truth
。
3.3. 使用 from_tensor_slices
方法可以从 nunpy
数组直接生成 dataset
类型数据,是一种比较方便快捷的生成方式,一般在测试时使用。其它较为常用的生成方式,比如从 TFRecord
文件或文本文件 (TextLine
) 中生成 dataset
,可以参考 tf.data
模块下的相关类的具体实现。
3.4. dataset
可以调用内置方法提前对数据进行预处理,比如数据打乱 (shuffle
), batch
以及 repeat
等操作。shuffle
操作是为了减小模型过拟合的几率,它仅为小范围打乱,需要借助于一个缓存区,先将数据填满,然后在每次训练时从缓存区里随机抽取 batch_size
条数据,产生的空缺用后面的数据填充,从而实现了局部打乱的效果。batch
是对数据进行分批次,常用于控制和调节模型的训练速度以及训练效果,因为在 dataset
中已经 batch
过,所以 fit
方法中的 batch_size
就无需再提供了。repeat
用来对数据进行复制,以解决数据量不足的问题,如果指定了其参数 count
,则表示整个数据集要复制 count
次,不指定就会无限次复制
,此时必须要设置 steps_per_epoch
参数,不然训练无法终止。
3.5. 上述例子中, train dataset
的全部数据在每一轮都会被训练到,因为一轮训练结束后, dataset
会重置,然后被用来重新训练。但是当指定了 steps_per_epoch
之后, dataset
在每轮训练后不会被重置,一直到所有 epochs
结束或所有的训练数据被消耗完之后终止,要想训练正常结束,须保证提供的训练数据总量要大于 steps_per_epoch * epochs * batch_size
。同理也可以指定 validation_steps
,此时数据验证会执行指定的步数,在下次验证开始时, validation dataset
会被重置,以保证每次交叉验证使用的都是相同的数据。validation_split
参数不适用于 dataset
类型数据,因为它需要知道每个数据样本的索引,这在 dataset API
下很难实现。
3.6. 当不指定 steps_per_epoch
参数时, numpy
类型数据与 dataset
类型数据的处理流程完全一致。但当指定之后,要注意它们之间在处理上的差异。对于 numpy
类型数据而言,在处理时,它会被转为 dataset
类型数据,只不过这个 dataset
被 repeat
了 epochs
次,而且每轮训练结束后,这个 dataset
不会被重置,会在上次的 batch
之后继续训练。假设原始数据量为 n
,指定 steps_per_epoch
参数之后,两者的差异主要体现在真实的训练数据量上, numpy
为 n * epochs
, dataset
为 n
。具体细节可以参考源码实现。
3.7. dataset
还有 map
与 prefetch
方法比较实用。 map
方法接收一个函数
作为参数,用来对 dataset
中的每一条数据进行处理并返回一个新的 dataset
,比如我们在使用 TextLineDataset
读取文本文件后生成了一个 dataset
,而我们要抽取输入数据中的某些列作为特征 (features
),某些列作为标签 (labels
),此时就会用到 map
方法。prefetch
方法预先从 dataset
中准备好下次训练所需的数据并放于内存中,这样可以减少每轮训练之间的延迟等待时间。
除了训练数据和验证数据外,还可以向 fit
方法传递样本权重 (sample_weight
) 以及类别权重 (class_weight
) 参数。这两个参数通常被用于处理分类不平衡问题,通过给类别少的样本赋予更高的权重,使得各个类别对整体损失的贡献趋于一致。
4.1. 对于 numpy
类型的输入数据,可以使用上述两个参数,以上面的多分类问题为例,如果要给分类 5
一个更高的权重,可以使用如下代码来实现:
import numpy as np
class_weight = {0: 1., 1: 1., 2: 1., 3: 1., 4: 1.,
5: 2.,
6: 1., 7: 1., 8: 1., 9: 1.}
print('Fit with class weight')
model.fit(x_train, y_train, class_weight=class_weight, batch_size=64, epochs=4)
sample_weight = np.ones(shape=(len(y_train), ))
sample_weight[y_train == 5] = 2.
print('\nFit with sample weight')
model.fit(
x_train,
y_train,
sample_weight=sample_weight,
batch_size=64,
epochs=4,
)
4.2. 而对于 dataset
类型的输入数据来说,不能直接使用上述两个参数,需要在构建 dataset
时将 sample_weight
加入其中,返回一个三元组的 dataset
,格式为 (input_batch, target_batch, sample_weight_batch)
。示例代码如下所示:
sample_weight = np.ones(shape=(len(y_train), ))
sample_weight[y_train == 5] = 2.
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
x_train,
y_train,
sample_weight,
))
train_dataset = train_dataset.shuffle(buffer_size=1024).batch(64)
model.fit(train_dataset, epochs=3)
在模型的训练过程中有一些特殊时间点,比如在一个 batch
结束或者一个 epoch
结束时,一般都会做一些额外的处理操作来辅助我们进行训练,上面介绍过的模型交叉验证就是其中之一。还有一些其它的操作,比如当模型训练停滞不前时 (loss
值在某一值附近不断波动),自动减小其学习速率 (learning rate
) 以使损失继续下降,从而得到更好的收敛效果;在训练过程中保存模型的权重信息,以备重启模型时可以在已有权重的基础上继续训练,从而减少训练时间;还有在每轮的训练结束后记录模型的损失 (loss
) 和指标 (metrics
) 信息,以供 Tensorboard
分析使用等等,这些操作都是模型训练过程中不可或缺的部分。它们都可以通过回调函数 (callbacks
) 的方式来实现,这些回调函数都在 tf.keras.callbacks
模块下,可以将它们作为列表参数传递给 fit
方法以达到不同的操作目的。
5.1. 下面以 EarlyStopping
为例说明 callbacks
的使用方式。本例中,当交叉验证损失 val_loss
至少在 2
轮 (epochs
) 训练中的减少值都低于 1e-2
时,我们会提前停止训练。其示例代码如下所示:
callbacks = [
keras.callbacks.EarlyStopping(
monitor='val_loss',
min_delta=1e-2,
patience=2,
verbose=1,
)
]
model.fit(
x_train,
y_train,
epochs=20,
batch_size=64,
callbacks=callbacks,
validation_split=0.2,
)
5.2. 一些比较常用的 callbacks
需要了解并掌握, 如 ModelCheckpoint
用来保存模型权重信息, TensorBoard
用来记录一些指标信息, ReduceLROnPlateau
用来在模型停滞时减小学习率。更多的 callbacks
函数可以参考 tf.keras.callbacks
模块下的实现。
5.3. 当然也可以自定义 callbacks
类,该子类需要继承自 tf.keras.callbacks.Callback
类,并按需实现其内置的方法,比如如果需要在每个 batch
训练结束后记录 loss
的值,则可以使用如下代码实现:
class LossHistory(keras.callbacks.Callback):
def on_train_begin(self, logs):
self.losses = []
def on_batch_end(self, batch, logs):
self.losses.append(logs.get('loss'))
5.4. 在 TensorFlow 2.0
之前, ModelCheckpoint
内容和 TensorBoard
内容是同时记录的,保存在相同的文件夹下,而在 2.0
之后的 keras API
中它们可以通过不同的回调函数分开指定。记录的日志文件中,含有 checkpoint
关键字的文件一般为检查点文件,含有 events.out.tfevents
关键字的文件一般为 Tensorboard
相关文件。
多输入输出模型
考虑如图所示的多输入多输出模型,该模型包括两个输入和两个输出, score_output
输出表示分值, class_output
输出表示分类,其示例代码如下:
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
image_input = keras.Input(shape=(32, 32, 3), name='img_input')
timeseries_input = keras.Input(shape=(None, 10), name='ts_input')
x1 = layers.Conv2D(3, 3)(image_input)
x1 = layers.GlobalMaxPooling2D()(x1)
x2 = layers.Conv1D(3, 3)(timeseries_input)
x2 = layers.GlobalMaxPooling1D()(x2)
x = layers.concatenate([x1, x2])
score_output = layers.Dense(1, name='score_output')(x)
class_output = layers.Dense(5, name='class_output')(x)
model = keras.Model(
inputs=[image_input, timeseries_input],
outputs=[score_output, class_output],
)
在进行模型编译时,如果只指定一个 loss
明显不能满足不同输出的损失计算方式,所以此时可以指定 loss
为一个列表 (list
),其中每个元素分别对应于不同的输出。示例代码如下:
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(1e-3),
loss=[
keras.losses.MeanSquaredError(),
keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True)
],
loss_weights=[1, 1],
)
此时模型的优化目标为所有单个损失值的总和,如果想要为不同的损失指定不同的权重,可以设置 loss_weights
参数,该参数接收一个标量系数列表 (list
),用以对模型不同输出的损失值进行加权。如果仅为模型指定一个 loss
,则该 loss
会应用到每一个输出,在模型的多个输出损失计算方式相同时,可以采用这种方式。
同样的对于模型的指标 (metrics
),也可以指定为多个,注意因为 metrics
参数本身即为一个列表,所以为多个输出指定 metrics
应该使用二维列表。示例代码如下:
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(1e-3),
loss=[
keras.losses.MeanSquaredError(),
keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True),
],
metrics=[
[
keras.metrics.MeanAbsolutePercentageError(),
keras.metrics.MeanAbsoluteError()
],
[keras.metrics.CategoricalAccuracy()],
],
)
对于有明确名称的输出,可以通过字典的方式来设置其 loss
和 metrics
。示例代码如下:
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(1e-3),
loss={
'score_output': keras.losses.MeanSquaredError(),
'class_output': keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True),
},
metrics={
'score_output': [
keras.metrics.MeanAbsolutePercentageError(),
keras.metrics.MeanAbsoluteError()
],
'class_output': [
keras.metrics.CategoricalAccuracy(),
]
},
)
对于仅被用来预测的输出,也可以不指定其 loss
。示例代码如下:
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(1e-3),
loss=[
None,
keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True),
],
)
model.compile(
optimizer=keras.optimizers.RMSprop(1e-3),
loss={
'class_output': keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True),
},
)
对于多输入输出模型的训练来说,也可以采用和其 compile
方法相同的方式来提供数据输入,也就是说既可以使用列表的方式,也可以使用字典的方式来指定多个输入。
6.1. numpy
类型数据示例代码如下:
img_data = np.random.random_sample(size=(100, 32, 32, 3))
ts_data = np.random.random_sample(size=(100, 20, 10))
score_targets = np.random.random_sample(size=(100, 1))
class_targets = np.random.random_sample(size=(100, 5))
model.fit(
x=[img_data, ts_data],
y=[score_targets, class_targets],
batch_size=32,
epochs=3,
)
model.fit(
x={
'img_input': img_data,
'ts_input': ts_data,
},
y={
'score_output': score_targets,
'class_output': class_targets,
},
batch_size=32,
epochs=3,
)
6.2. dataset
类型数据示例代码如下:
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
(img_data, ts_data),
(score_targets, class_targets),
))
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
{
'img_input': img_data,
'ts_input': ts_data,
},
{
'score_output': score_targets,
'class_output': class_targets,
},
))
train_dataset = train_dataset.shuffle(buffer_size=1024).batch(64)
model.fit(train_dataset, epochs=3)
自定义训练流程
如果你不想使用 model
内置提供的 fit
和 evaluate
方法,而想使用低阶 API
自定义模型的训练和评估的流程,则可以借助于 GradientTape
来实现。深度神经网络在后向传播过程中需要计算损失 (loss
) 关于权重矩阵的导数(也称为梯度),以更新权重矩阵并获得最优解,而 GradientTape
能自动提供求导帮助,无需我们手动求导,它本质上是一个求导记录器
,能够记录前项传播的过程,并据此计算导数。
模型的构建过程与之前相比没有什么不同,主要体现在训练的部分,示例代码如下:
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import numpy as np
inputs = keras.Input(shape=(784, ), name='digits')
x = layers.Dense(64, activation='relu', name='dense_1')(inputs)
x = layers.Dense(64, activation='relu', name='dense_2')(x)
outputs = layers.Dense(10, name='predictions')(x)
model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)
optimizer = keras.optimizers.SGD(learning_rate=1e-3)
loss_fn = keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True)
train_acc_metric = keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()
val_acc_metric = keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()
batch_size = 64
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
train_dataset = train_dataset.shuffle(buffer_size=1024).batch(batch_size)
val_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_val, y_val))
val_dataset = val_dataset.batch(64)
epochs = 3
for epoch in range(epochs):
print('Start of epoch %d' % (epoch, ))
for step, (x_batch_train, y_batch_train) in enumerate(train_dataset):
with tf.GradientTape() as tape:
logits = model(x_batch_train,
training=True)
loss_value = loss_fn(y_batch_train, logits)
grads = tape.gradient(loss_value, model.trainable_weights)
optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_weights))
train_acc_metric(y_batch_train, logits)
if step % 200 == 0:
print('Training loss (for one batch) at step %s: %s' %
(step, float(loss_value)))
print('Seen so far: %s samples' % ((step + 1) * 64))
train_acc = train_acc_metric.result()
print('Training acc over epoch: %s' % (float(train_acc), ))
train_acc_metric.reset_states()
for x_batch_val, y_batch_val in val_dataset:
val_logits = model(x_batch_val)
val_acc_metric(y_batch_val, val_logits)
val_acc = val_acc_metric.result()
val_acc_metric.reset_states()
print('Validation acc: %s' % (float(val_acc), ))
注意 with tf.GradientTape() as tape
部分的实现,它记录了前向传播的过程,然后使用 tape.gradient
方法计算出 loss
关于模型所有权重矩阵 (model.trainable_weights
) 的导数(也称作梯度),接着利用优化器 (optimizer
) 去更新所有的权重矩阵。
在上述训练流程中,模型的训练指标在每个 batch
的训练中进行更新操作 (update_state()
) ,在一个 epoch
训练结束后打印指标的结果 (result()
) ,然后重置该指标 (reset_states()
) 并进行下一轮的指标记录,交叉验证的指标也是同样的操作。
注意与使用模型内置 API
进行训练不同,在自定义训练中,模型中定义的损失,比如正则化损失以及通过 add_loss
添加的损失,是不会自动累加在 loss_fn
之内的。如果要包含这部分损失,则需要修改自定义训练的流程,通过调用 model.losses
来将模型的全部损失加入到要优化的损失中去。示例代码如下所示:
with tf.GradientTape() as tape:
logits = model(x_batch_train)
loss_value = loss_fn(y_batch_train, logits)
loss_value += sum(model.losses)
grads = tape.gradient(loss_value, model.trainable_weights)
optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_weights))
参考资料
Keras 模型训练与评估
Keras 模型 fit 方法
tf.data.Dataset
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