[深度学习] tf.keras入门1-基本函数介绍

目录

构建一个简单的模型

序贯（Sequential）模型

网络层的构造

模型训练和参数评价

模型训练

模型的训练

tf.data的数据集

模型评估和预测

基本模型的建立

网络层模型

模型子类函数构建

回调函数Callbacks

模型保存和载入

网络参数保存Weights only

配置参数保存Configuration only

完整模型保存

---

目前keras API 已经整合到 tensorflow最新版本1.9.0 中，在tensorflow中通过tf.keras就可以调用keras。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras

官方教程为：https://tensorflow.google.cn/guide/keras

tf.keras可以调用所有的keras编译代码，但是有两个限制：

1. 版本问题，需要通过tf.keras.version确认版本。
2. 模型保存问题，tf.keras默认使用 checkpoint format格式，而keras模型的保存格式HDF5需要借用函数save_format='h5'

构建一个简单的模型

序贯（Sequential）模型

序贯模型就是是多个网络层的线性堆叠，比如多层感知机，BP神经网络。

tf.keras构建一个简单的全连通网络(即多层感知器)代码如下:

#建立序贯模型
model = keras.Sequential()
#添加全连接层，节点数为64，激活函数为relu函数，dense表示标准的一维全连接层
model.add(keras.layers.Dense(64, activation='relu'))
#添加全连接层，节点数为64，激活函数为relu函数
model.add(keras.layers.Dense(64, activation='relu'))
#添加输出层，输出节点数为10
model.add(keras.layers.Dense(10, activation='softmax'))

其中激活函数详细信息见keras官方文档http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/other/activations/

网络层的构造

通常在tf.keras中，网络层的构造参数主要有以下几个：

1. 激活函数activation function，默认是没有激活函数的。
2. 参数初始化，默认通过正态分布初始化（Glorot uniform）
3. 参数正则化，包括权值初始化和偏置的初始化。

#参数调整
#建立一个sigmoid层
layers.Dense(64, activation='sigmoid')
#或者
layers.Dense(64, activation=tf.sigmoid)

#权重L1正则化
layers.Dense(64, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1(0.01))
#偏置L2正则化
layers.Dense(64, bias_regularizer=keras.regularizers.l2(0.01))

#权重正交矩阵的随机数初始化
layers.Dense(64, kernel_initializer='orthogonal')
#偏置常数初始化
layers.Dense(64, bias_initializer=keras.initializers.constant(2.0))

模型训练和参数评价

模型训练

模型建立后，通过compile模块确定模型的训练参数（tf.keras.Model.compile）

tf.keras.Model.compile有三个主要参数：

1. 优化器optimizer：通过tf.train模块调用优化器，可用的优化器类型见：http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/other/optimizers/
2. 损失函数loss：通过tf.keras.losses模块调用损失函数，可用的损失函数类型见：http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/other/objectives/
3. 模型评估方法metrics：通过tf.keras.metrics调用评估参数，可用的模型评估方法见：http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/other/metrics/

具体例子如下：

# 配置均方误差回归模型
model.compile(optimizer=tf.train.AdamOptimizer(0.01),
              loss='mse',       # 均方差
              metrics=['mae'])  # 平均绝对误差

# 配置分类模型
model.compile(optimizer=tf.train.RMSPropOptimizer(0.01),
              loss=keras.losses.categorical_crossentropy, #多类的对数损失
              metrics=[keras.metrics.categorical_accuracy]) #多分类问题，所有预测值上的平均正确率

模型的训练

对于小数据集,使用numpy数组，通过tf.keras.Model.fit模块来训练和评估模型。

import numpy as np
#输入数据（1000，32）
data = np.random.random((1000, 32))
#输入标签（1000，10）
labels = np.random.random((1000, 10))
#模型训练
model.fit(data, labels, epochs=10, batch_size=32)

tf.keras.Model.fit模块有三个重要的参数：

1. 训练轮数epochs：epochs指的就是训练过程中数据将被训练多少轮，一个epoch指的是当一个完整的数据集通过了神经网络一次并且返回了一次。
2. 批训练大小batch_size：基本上现在的梯度下降都是基于mini-batch的，即将一个完整数据分为batch_size个批次进行训练。详见http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/for_beginners/concepts/#epochs。
3. 验证集validation_data：通常一个模型训练，评估要有训练集，验证集和测试集。验证集就是模型调参时用来评估模型的数据集。

tf.data的数据集

对于大型数据集，常常通过tf.data模块来调用数据,详见https://tensorflow.google.cn/guide/datasets

# 数据实例化
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((data, labels))
dataset = dataset.batch(32)
dataset = dataset.repeat()

#模型训练，steps_per_epoch表示每次训练的数据大小类似与batch_size
model.fit(dataset, epochs=10, steps_per_epoch=30)

模型评估和预测

通过 tf.keras.Model.evaluate 和tf.keras.Model.predict可以实现模型的评估和预测。

model.evaluate(x, y, batch_size=32)
model.evaluate(dataset, steps=30)

model.predict(x, batch_size=32)
model.predict(dataset, steps=30)

基本模型的建立

网络层模型

通过f.keras.Sequential 可以实现各种的复杂模型，如：

1. 多输入模型；
2. 多输出模型；
3. 参数共享层模型；
4. 残差网络模型。

具体例子如下：

#输入参数
inputs = keras.Input(shape=(32,))

#网络层的构建
x = keras.layers.Dense(64, activation='relu')(inputs)
x = keras.layers.Dense(64, activation='relu')(x)
#预测
predictions = keras.layers.Dense(10, activation='softmax')(x)

#模型实例化
model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=predictions)

#模型构建
model.compile(optimizer=tf.train.RMSPropOptimizer(0.001),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

#模型训练
model.fit(data, labels, batch_size=32, epochs=5)

模型子类函数构建

通常通过tf.keras.Model构建模型结构， __init__方法初始化模型，call方法进行参数传递。如下所示：

class MyModel(keras.Model):
  #模型结构确定
  def __init__(self, num_classes=10):
    super(MyModel, self).__init__(name='my_model')
    self.num_classes = num_classes
    #网络层的定义
    self.dense_1 = keras.layers.Dense(32, activation='relu')
    self.dense_2 = keras.layers.Dense(num_classes, activation='sigmoid')
  #参数调用
  def call(self, inputs):
    #前向传播过程确定
    x = self.dense_1(inputs)
    return self.dense_2(x)

  def compute_output_shape(self, input_shape):
    #输出参数确定
    shape = tf.TensorShape(input_shape).as_list()
    shape[-1] = self.num_classes
    return tf.TensorShape(shape)

#模型初始化
model = MyModel(num_classes=10)

#模型构建
model.compile(optimizer=tf.train.RMSPropOptimizer(0.001),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

#模型训练
model.fit(data, labels, batch_size=32, epochs=5)

回调函数Callbacks

回调函数是一组在训练的特定阶段被调用的函数集，你可以使用回调函数来观察训练过程中网络内部的状态和统计信息。通过传递回调函数列表到模型fit()中，即可在给定的训练阶段调用该函数集中的函数。详见：http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/other/callbacks/。主要回调函数有：

1. tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint：模型保存
2. tf.keras.callbacks.LearningRateScheduler：学习率调整
3. tf.keras.callbacks.EarlyStopping：中断训练
4. tf.keras.callbacks.TensorBoard：tensorboard的使用

模型保存和载入

tf.keras有两种模型保存方式

网络参数保存Weights only

#模型保存为tensorflow默认格式
model.save_weights('./my_model')

#载入模型
model.load_weights('my_model')

#模型保存为keras默认格式,包含其他优化参数
model.save_weights('my_model.h5', save_format='h5')

#载入模型
model.load_weights('my_model.h5')

配置参数保存Configuration only

保存一个没有模型参数只有配置参数的模型， Keras支持 JSON和YAML序列化格式:

# 模型保存
json_string = model.to_json()
yaml_string = model.to_yaml()
#模型载入
fresh_model = keras.models.from_json(json_string)
fresh_model = keras.models.from_yaml(yaml_string)

完整模型保存

将原来模型所用信息进行保存：

#模型建立
model = keras.Sequential([
  keras.layers.Dense(10, activation='softmax', input_shape=(32,)),
  keras.layers.Dense(10, activation='softmax')
])
model.compile(optimizer='rmsprop',
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
model.fit(data, targets, batch_size=32, epochs=5)

#保存为keras格式文件
model.save('my_model.h5')

# 模型载入
model = keras.models.load_model('my_model.h5')