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TensorFlow2学习三、Keras 构建复杂模型

bigegpt 2024-08-08 12:05 2 浏览

一、函数式api

tf.keras.Sequential 模型只适用于多层简单堆叠网络,不能表示复杂模型。
使用 Keras functional API 可以构建有复杂拓扑结构的模型。比如:

  • 多输入模型(Multi-input models)
  • 多输出模型(Multi-output models)
  • 有共享层的模型(同一层被调用多次)
  • 具有非顺序数据流的模型(如残差连接)

使用函数式API构建模型要求:

  1. 层实例可调用并返回张量。
  2. 输入张量和输出张量用于定义 tf.keras.Model 实例

示例:

from __future__ import absolute_import, division, print_function
import tensorflow as tf
import numpy as np
from tensorflow.keras import layers

train_x = np.random.random((1000, 72))
train_y = np.random.random((1000, 10))
val_x = np.random.random((200, 72))
val_y = np.random.random((200, 10))

input_x = tf.keras.Input(shape=(72,)) # 实例化Keras张量
hidden1 = layers.Dense(32, activation='relu')(input_x)
hidden2 = layers.Dense(16, activation='relu')(hidden1)
pred = layers.Dense(10, activation='softmax')(hidden2)

model = tf.keras.Model(inputs=input_x, outputs=pred)
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(0.001),
 loss=tf.keras.losses.categorical_crossentropy,
 metrics=['accuracy'])
model.fit(train_x, train_y, batch_size=32, epochs=5)

二、通过类更好地模块化自己的程序

from __future__ import absolute_import, division, print_function
import tensorflow as tf
import numpy as np
from tensorflow.keras import layers


class MyModel(tf.keras.Model):
 def __init__(self, num_classes=10):
 super(MyModel, self).__init__(name='my_model')
 self.num_classes = num_classes
 self.layer1 = layers.Dense(32, activation='relu')
 self.layer2 = layers.Dense(num_classes, activation='softmax')

 def call(self, inputs):
 h1 = self.layer1(inputs)
 out = self.layer2(h1)
 return out

 def compute_output_shape(self, input_shape):
 shape = tf.TensorShape(input_shape).as_list()
 shape[-1] = self.num_classes
 return tf.TensorShape(shape)


model = MyModel(num_classes=10)
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.RMSprop(0.001),
 loss=tf.keras.losses.categorical_crossentropy,
 metrics=['accuracy'])
train_x = np.random.random((1000, 72))
train_y = np.random.random((1000, 10))
model.fit(train_x, train_y, batch_size=16, epochs=5)

三、自定义层

通过对 tf.keras.layers.Layer 进行子类化并通过下面方法创建自定义层:

  • build:创建层的权重,add_weight 方法设置权重。
  • call:定义前向传播。
  • compute_output_shape:在给定输入形状的情况下如何计算层的输出形状。

也可以通过实现 get_config 方法和 from_config 类方法序列化层。

from __future__ import absolute_import, division, print_function
import tensorflow as tf
import numpy as np
import tensorflow.keras as keras
from tensorflow.keras import layers


class MyLayer(keras.layers.Layer):

 def __init__(self, output_dim, **kwargs):
 self.output_dim = output_dim
 super(MyLayer, self).__init__(**kwargs)

 def build(self, input_shape):
 shape = tf.TensorShape((input_shape[1], self.output_dim))
 # Create a trainable weight variable for this layer.

 self.kernel = self.add_weight(name='kernel',
 shape=shape,
 initializer='uniform',
 trainable=True)
 # Be sure to call this at the end
 super(MyLayer, self).build(input_shape)

 def call(self, inputs):
 return tf.matmul(inputs, self.kernel)

 def compute_output_shape(self, input_shape):
 shape = tf.TensorShape(input_shape).as_list()
 shape[-1] = self.output_dim
 return tf.TensorShape(shape)

 def get_config(self):
 base_config = super(MyLayer, self).get_config()
 base_config['output_dim'] = self.output_dim
 return base_config

 @classmethod
 def from_config(cls, config):
 return cls(**config)


# Create a model using the custom layer
model = keras.Sequential([MyLayer(10),
 keras.layers.Activation('softmax')])

# The compile step specifies the training configuration
model.compile(optimizer=tf.compat.v1.train.RMSPropOptimizer(0.001),
 loss='categorical_crossentropy',
 metrics=['accuracy'])
train_x = np.random.random((1000, 72))
train_y = np.random.random((1000, 10))
# Trains for 5 epochs.
model.fit(train_x, train_y, batch_size=32, epochs=5)

四、回调

回调用于在训练期间自定义和扩展其行为。 可以编写自己的自定义回调或使用包含以下内置的tf.keras.callbacks:

  • tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint:定期保存checkpoints。
  • tf.keras.callbacks.LearningRateScheduler:动态改变学习速率。
  • tf.keras.callbacks.EarlyStopping:当验证集上的性能不再提高时,终止训练。
  • tf.keras.callbacks.TensorBoard:使用TensorBoard 监测模型的行为。

使用回调是将其传递给模型的fit方法:

callbacks = [
 # Interrupt training if `val_loss` stops improving for over 2 epochs
 keras.callbacks.EarlyStopping(patience=2, monitor='val_loss'),
 # Write TensorBoard logs to `./logs` directory
 keras.callbacks.TensorBoard(log_dir='./logs')
]

示例:

callbacks = [
 tf.keras.callbacks.EarlyStopping(patience=2, monitor='val_loss'),
 tf.keras.callbacks.TensorBoard(log_dir='./logs')
]
model.fit(train_x, train_y, batch_size=16, epochs=5,
 callbacks=callbacks, validation_data=(val_x, val_y))

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