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Tensorflow自定义模型与训练超详细讲解

作者：沐兮Krystal

TensorFlow是基于数据流编程的符号数学系统，广泛用于机器学习算法的编程实现，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

前言

Tensorflow的核心与NumPy非常相似，但具有GPU支持；

Tensorflow支持分布式计算（跨多个设备和服务器）。

像NumPy一样使用TensorFlow

@运算符是在Python 3.5 中添加的，用于矩阵乘法，等效于 tf.matmul() 函数。

Keras的底层API

Keras API在keras.backend中有自己的底层API，如果要编写可移植到其他Keras实现中的代码，则应使用这些Keras函数。

from tensorflow import keras
K = keras.backend
K.square(K.transpose(t)) + 10

当从NumPy数组创建张量时，需设置 dtype=tf.float32；

定制模型和训练算法

自定义损失函数

实现Huber损失：

def huber_fn(y_true, y_pred):
	error = y_true - y_pred
	is_small_error = tf.abs(error) < 1
	squared_loss = tf.square(error) / 2
	linear_loss = tf.abs(error) - 0.5
	return tf.where(is_small_error, squared_loss, linear_loss)

编译Keras模型，训练模型：

model.compile(loss=huber_fn, optimizer="nadam")
model.fit(X_train, y_train, [...])

保存和加载包含自定义组件的模型

当加载包含自定义对象的模型时，需要将名称映射到对象。

model = keras.models.load_model("my_model_with_a_custom_loss.h5",custom_objects={<!--{cke_protected}{C}%3C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->"huber_fn": huber_fn})

创建一个函数，该函数创建已配置的损失函数：

def create_huber(threshold=1.0):
	def huber_fn(y_true, y_pred):
		error = y_true - y_pred
		is_small_error = tf.abs(error) < threshold
		squared_loss = tf.square(error) / 2
		linear_loss = threshold * tf.abs(error) - threshold**2 / 2
		return tf.where(is_small_error, squared_loss, linear_loss)
	return huber_fn
model.compile(loss=create_huber(2.0), optimizer="nadam")

在加载模型的时候必须指定阈值：

model = keras.models.load_model("my_model_with_a_custom_loss.h5",custom_objects={"huber_fn": create_huber(2.0)})

通过创建 keras.losses.Loss 类的子类，然后实现其 get_config() 方法来解决此问题：

class HuberLoss(keras.losses.Loss):
	def __init__(self, threshold=1.0, **kwargs):
		self.threshold = threshold
		super().__init__(**kwargs)
	def call(self, y_true, y_pred):
		error = y_true - y_pred
		is_small_error = tf.abs(error) < self.threshold
		squared_loss = tf.square(error) / 2
		linear_loss = self.threshold * tf.abs(error) - self.threshold**2 / 2
		return tf.where(is_small_error, squared_loss, linear_loss)
	def get_config(self):
		base_config = super().get_config()
		return {**base_config, "threshold": self.threshold}

以上父类构造函数处理标准超参数：损失的name和用于聚合单个实例损失的reduction算法。

get_config() 方法返回一个字典，将每个超参数映射到其值。首先调用父类的get_config() 方法，然后将新的超参数添加到此字典中。

可在编译模型时使用此类的任何实例：

model.compile(loss=HuberLoss(2.),optimizer="nadam")

当保存模型的时候，阈值会同时一起保存。在加载模型时，只需要将类名映射到类本身：

model = keras.models.load_model("my_model_with_a_custom_loss.h5",custom_objects={<!--{cke_protected}{C}%3C!%2D%2D%20%2D%2D%3E-->"HuberLoss": HuberLoss})

保存模型时，Keras会调用损失实例的 get_config() 方法，并将配置以 JSON 格式保存到 HDF5 文件中。

自定义激活函数与初始化与正则化和约束

编写简单的函数进行自定义

def my_softplus(z):
	return tf.math.log(tf.exp(z)+1.0)
def my_glorot_initializer(shape, dtype=tf.float32):
	stddev = tf.sqrt(2. / (shape[0] + shape[1]))
	return tf.random.normal(shape, stddev=stddev, dtype=dtype)
def my_l1_regularizer(weights):
	return tf.reduce_sum(tf.abs(0.01 * weights))
def my_positive_weights(weights): # return value is just tf.nn.relu(weights)
	return tf.where(weights < 0., tf.zeros_like(weights), weights)

使用这些自定义函数

layer = keras.layers.Dense(30, activation=my_softplus,
							kernel_initializer=my_glorot_initializer,
							kenel_regularizer=my_l1_regularizer,
							kenel_constraint=my_positive_weights)

在每个训练步骤中，权重将传递给正则化函数，以计算正则化损失，并将其添加到主要损失中得到用于训练的最终损失。

必须为损失、层（包括激活函数）和模型实现 call() 方法，或者为正则化、初始化和约束实现 __call__()方法。

自定义指标

可以将创建的损失函数作为指标。

model.compile(loss="mse", optimizer="nadam", metrics=[create_huber(2.0)])

流式指标（状态指标）是逐批次更新的。

自定义层

创建不带任何权重的自定义层：

exponential_layer = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.exp(x))
class MyDense(keras.layers.Layer):
	# 将所有超参数用作参数
	def __init__(self, units, activation=None, **kwargs):
		super().__init__(**kwargs)
		self.units = units
		self.activation = keras.activations.get(activation)
	# 创建层的变量
	def build(self, batch_input_shape):
		self.kernel = self.add_weight(
			name="kernel", shape=[batch_input_shape[-1], self.units],
			initializer="glorot_normal")
		self.bias = self.add_weight(
			name="bias", shape=[self.units], initializer="zeros")
		super().build(batch_input_shape) # must be at the end
		# 调用父类方法，告诉keras这一层被构建了，设置 self.built=true
	def call(self, X):
	 	return self.activation(X @ self.kernel + self.bias)
	def compute_output_shape(self, batch_input_shape):
		return tf.TensorShape(batch_input_shape.as_list()[:-1] + [self.units])
	def get_config(self):
		base_config = super().get_config()
		return {**base_config, "units": self.units,
				"activation": keras.activation.serialize(self.activation) }

创建多输入，多输出的层：

class MyMultiLayer(keras.layers.Layer):
	def call(self, X):
		X1, X2 = X
		return [X1 + X2, X1 * X2, X1 / X2]
	def compute_output_shape(self, batch_input_shape):
		b1, b2 = batch_input_shape
		return [b1, b1, b1]

如果层在训练期间和测试期间需要具有不同的行为，比如，创建一个在训练期间（用于正则化）添加高斯噪声，但在测试期间不执行任何操作：

class MyGaussianNoise(keras.layers.Layer):
	def __init__(self, stddev, **kwargs):
		super().__init__(**kwargs)
		self.stddev = stddev
	def call(self, X, training=None):
		if training:
			noise = tf.random.normal(tf.shape(X), stddev=self.stddev)
			return X + noise
		else:
			return X
	def compute_output_shape(self, batch_input_shape):
		return batch_input_shape

自定义模型

首先创建一个 ResidualBlock 层：

class ResidualBlock(keras.layers.Layer):
	def __init__(self, n_layers, n_nerons, **kwargs):
		super().__init__(**kwargs)
		self.hidden = [keras.layers.Dense(n_nerons, activation="elu",
										  kenel_initializer="he_normal")
					   for _ in range(n_layers)]
	def call(self, inputs):
		Z = inputs
		for layer in self.hidden:
			Z = layer(Z)
		return inputs + Z

使用子类API定义模型：

class ResidualRegressor(keras.Model):
	def __init__(self, output_dim, **kwargs):
		super().__init__(**kwargs)
		self.hidden1 = keras.layers.Dense(30, activation="elu",
										  kernel_initializer="he_normal")
		self.block1 = ResidualBlock(2, 30)
		self.block2 = ResidualBlock(2, 30)
		self.out = keras.layers.Dense(output_dim)
	def call(self, inputs):
		Z = self.hidden1(inputs)
		for _ in range(1 + 3):
			Z = self.block1(Z)
		Z = self.block2(Z)
		return self.out(Z)

class ReconstructingRegressor(keras.Model):
	def __init__(self, output_dim, **kwargs):
		super().__init__(**kwargs)
		self.hidden = [keras.layers.Dense(30, activation="selu",
										  kernel_initializer = "lecun_normal")
					   for _ in range(5)]
		self.out = keras.layers.Dense(output_dim)
	def build(self, batch_input_shape):
		n_inputs = batch_input_shape[-1]
		self.reconstruct = keras.layers.Dense(n_inputs) # 该层用于重建模型的输入
		super().build(batch_input_shape)
	def call(self, inputs):
		Z = inputs
		for layer in self.hidden:
			Z = layer(Z)
		reconstruction = self.reconstruct(Z)
		recon_loss = tf.reduce_mean(tf.square(reconstruction - inputs))
		self.add_loss(0.05 * recon_loss)
		return self.out(Z)

正则化，在输入变化不大时惩罚那些变化很大的激活。

到此这篇关于Tensorflow自定义模型与训练超详细讲解的文章就介绍到这了,更多相关Tensorflow自定义模型内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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