深度学习（二）—— TensorFlow入门

1 TensorFlow 简介

深度学习框架 TensorFlow 一经发布，就受到了广泛的关注，并在计算机视觉、音频处理、推荐系统和自然语言处理等场景下都被大面积推广使用。

TensorFlow的 依赖视图 如下所示：

• TF托管在github平台，有google groups和contributors共同维护。
• TF提供了丰富的深度学习相关的API，支持Python和C/C++接口。
• TF提供了可视化分析工具Tensorboard，方便分析和调整模型。
• TF支持Linux平台，Windows平台，Mac平台，甚至手机移动设备等各种平台。

工作流程 如下所示：

1. 加载数据。 使用tf.data实例化读取训练数据和测试数据

2. 模型的建立与调试。使用动态图模式 Eager Execution 和著名的神经网络高层 API 框架 Keras，结合可视化工具 TensorBoard，简易、快速地建立和调试模型；

3. 模型的训练。支持 CPU / 单 GPU / 单机多卡 GPU / 多机集群 / TPU 训练模型，充分利用海量数据和计算资源进行高效训练；

4. 预训练模型调用。通过 TensorFlow Hub，可以方便地调用预训练完毕的已有成熟模型。

5. 模型的部署。通过 TensorFlow Serving、TensorFlow Lite、TensorFlow.js 等组件，可以将TensorFlow 模型部署到服务器、移动端、嵌入式端等多种使用场景；

2 张量及其操作

2.1 张量的定义

张量是一个多维数组。 与 NumPy ndarray 对象类似，tf.Tensor 对象也具有数据类型和形状。如下图所示：

2.2 创建张量

（1）常量

import tensorflow as tf

# 创建int32类型的0维张量，即标量
tensor1 = tf.constant(1)
print(tensor1) 
# tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int32)

# 创建float32类型的1维张量
tensor2 = tf.constant([2.0, 3.0, 4.0])
print(tensor2)
# tf.Tensor([2. 3. 4.], shape=(3,), dtype=float32)

# 创建float16类型的二维张量
tensor3 = tf.constant([[1, 2],
                       [3, 4],
                       [5, 6]], dtype=tf.float16)
print(tensor3)
# tf.Tensor(
# [[1. 2.]
#  [3. 4.]
#  [5. 6.]], shape=(3, 2), dtype=float16)

整型默认是 int32，浮点型默认是 float32

（2）变量

变量是一种特殊的张量，形状是不可变，但可以更改其中的参数。

定义时的方法是：

my_variable = tf.Variable([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0]])

我们也可以获取它的形状，类型及转换为ndarray:

print("Shape: ",my_variable.shape)
print("DType: ",my_variable.dtype)
print("As NumPy: ", my_variable.numpy)

改变其数值（需注意形状必须保持一致）：

my_variable.assign([[3,4],[5,6]])

2.3 转换成 numpy

我们可将张量转换为 numpy 中的 ndarray 的形式，转换方法有两种，以张量 tensor2 为例：

• np.array

np.array(tensor2)
# array([2., 3., 4.], dtype=float32)

• Tensor.numpy()

tensor2.numpy()
# array([2., 3., 4.], dtype=float32)

2.4 常用函数

我们可以对张量做一些基本的数学运算，包括加法、元素乘法和矩阵乘法等

# 定义张量a和b
a = tf.constant([[1, 2],
                 [3, 4]])
b = tf.constant([[1, 1],
                 [1, 1]]) 

• tf.add(a,b) 计算张量的和
• tf.multiply(a,b) 计算张量的元素乘法
• tf.matmul(a,b) 计算矩阵乘法

c = tf.constant([[4.0, 5.0], [10.0, 1.0]])

• tf.reduce_sum(c) 求和
• tf.reduce_mean(c) 平均值
• tf.reduce_max(c) 最大值
• tf.reduce_min(c) 最小值
• tf.argmax(c) 最大值的索引
• tf.argmin(c) 最小值的索引

3 tf.keras介绍

tf.keras 是TensorFlow 2.0的高阶API接口，为 TensorFlow 的代码提供了新的风格和设计模式，大大提升了TF代码的简洁性和复用性，官方也推荐使用 tf.keras 来进行模型设计和开发。

3.1 常用模块

3.2 常用方法

深度学习实现的主要流程：

1. 数据获取
2. 数据处理
3. 模型创建与训练
4. 模型测试与评估
5. 模型预测

（1）导入tf.keras

使用 tf.keras，首先需要在代码开始时导入tf.keras

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras

（2）数据输入

对于小的数据集，可以直接使用 numpy 格式的数据进行训练、评估模型，对于大型数据集或者要进行跨设备训练时使用 tf.data.datasets 来进行数据输入。

（3）模型构建

• 简单模型使用 Sequential 进行构建
• 复杂模型使用函数式编程来构建
• 自定义layers

（4）训练与评估

• 配置训练过程

# 配置优化方法，损失函数和评价指标
model.compile(optimizer=tf.train.AdamOptimizer(0.001),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

• 模型训练

# 指明训练数据集，训练epoch,批次大小和验证集数据
model.fit/fit_generator(dataset, epochs=10, 
                        batch_size=3,
          validation_data=val_dataset,
          )

• 模型评估

# 指明评估数据集和批次大小
model.evaluate(x, y, batch_size=32)

• 模型预测

# 对新的样本进行预测
model.predict(x, batch_size=32)

（5）回调函数（callbacks）

回调函数用在模型训练过程中，来控制模型训练行为，可以自定义回调函数，也可使用tf.keras.callbacks 内置的 callback ：

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

（6）模型的保存和恢复

• 只保存参数

# 只保存模型的权重
model.save_weights('./my_model')
# 加载模型的权重
model.load_weights('my_model')

• 保存整个模型

# 保存模型架构与权重在h5文件中
model.save('my_model.h5')
# 加载模型：包括架构和对应的权重
model = keras.models.load_model('my_model.h5')

3.3 模型入门案例

3.3.1 数据集处理

# 绘图，获取数据集
import seaborn as sns
# 数值计算
import numpy as np
# 划分训练集和测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split
# 逻辑回归
from sklearn.linear_model import LogisticRegressionCV
# tf.keras中使用的相关工具
# 用于模型搭建
from tensorflow.keras.models import Sequential
# 构建模型的层和激活方法
from tensorflow.keras.layers import Dense, Activation
# 数据处理的辅助工具
from tensorflow.keras import utils

（1）获取数据集

iris = sns.load_dataset("iris")
# print(type(iris))  pandas.core.frame.DataFrame
iris.head()

注：

• 我们常用 sklearn.datasets 的 load_*() 获取数据集，返回 Bunch 对象
• seaborn 库内置了十几个数据集，也可以获取数据集，返回数据集的类型为 DataFrame

以下为拓展，本例中仍使用 seaborn 获取的数据集

from sklearn.datasets import load_iris
import pandas as pd

iris = load_iris()
type(iris) # sklearn.utils._bunch.Bunch
# print(dir(iris))  # 查看data所具有的属性或方法
# print(iris.DESCR)  # 查看数据集的简介
iris = pd.DataFrame(data=iris.data,columns=iris.feature_names)
iris.head()

可以注意到使用 sklearn 中的鸢尾花数据集没有标签值

（2）数据展示

# sns.pairplot()用来展示两两特征之间的关系
# hue 针对某一字段进行分类 ,不同类别的点会以不同的颜色显现出来
sns.pairplot(iris,hue="species") 

（3）数据集划分

# 确定特征值和目标值

# X = iris.iloc[:, :4]
# y = iris.iloc[:, 4]
# type(X),type(y) # (pandas.core.frame.DataFrame, pandas.core.series.Series)

X = iris.values[:, :4]
y = iris.values[:, 4]
# type(X),type(y) # (numpy.ndarray, numpy.ndarray)

# 数据集的划分
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.5,random_state=0) # 返回numpy.ndarray类型数据

3.3.2 sklearn 实现

# 实例化分类器
estimator = LogisticRegressionCV()
# 训练
estimator.fit(X_train, y_train)
# 计算准确率并进行打印
print("Accuracy = {0:.2f}".format(lr.score(X_test, y_test)))  # 冒号左侧的0表示对应参数的索引，此处只有一个参数0可省略
# 0.93

注意：
LogisticRegression和LogisticRegressionCV的主要区别是LogisticRegressionCV使用了交叉验证来选择正则化系数C。而LogisticRegression需要自己每次指定一个正则化系数。除了交叉验证，以及选择正则化系数C以外， LogisticRegression和LogisticRegressionCV的使用方法基本相同。

3.3.3 Keras 实现

在sklearn中我们只要实例化分类器并利用fit方法进行训练，最后衡量它的性能就可以了，那在tf.keras中与在sklearn非常相似，不同的是：

• 构建分类器时需要进行模型搭建
• 数据采集时，sklearn可以接收字符串型的标签，如：“setosa”，但是在 tf.keras 中需要对标签值进行热编码，如下所示：
  
  （1）对标签值热编码

def onehot_encode_object_array(arr):
    # 去重获取全部的类别
    # return_inverse为True时：会构建一个递增的唯一值的新列表，并返回旧列表arr中的值在新列表uniques中的索引列表ids
    uniques, ids = np.unique(arr, return_inverse=True) 
    # 返回热编码的结果
    return utils.to_categorical(ids, len(uniques))
    
# 训练集热编码
y_train_onehot = onehot_encode_object_array(y_train)
# 测试集热编码
y_test_onehot = onehot_encode_object_array(y_test)

注意：

• np.unique 将数组中的元素进行去重操作，详见：https://blog.csdn.net/Hhjnv/article/details/122916912
• to_categorical() 用于分类，将标签转为one-hot编码，详见：https://blog.csdn.net/nima1994/article/details/82468965

（2）模型搭建

在 sklearn中，模型都是现成的。
而 tf.Keras 是一个神经网络库，我们需要根据数据和标签值构建神经网络，神经网络可以发现特征与标签之间的复杂关系。

神经网络是一个高度结构化的图，其中包含一个或多个隐藏层，每个隐藏层都包含一个或多个神经元。

神经网络有多种类别，该程序使用的是密集型神经网络，也称为全连接神经网络：一个层中的神经元将从上一层中的每个神经元获取输入连接。例如，下图显示了一个密集型神经网络，其中包含 1 个输入层、2 个隐藏层以及 1 个输出层

上图 中的模型经过训练并馈送未标记的样本时，它会产生 3 个预测结果：相应鸢尾花属于指定品种的可能性。对于该示例，输出预测结果的总和是 1.0。该预测结果分解如下：山鸢尾为 0.02，变色鸢尾为 0.95，维吉尼亚鸢尾为 0.03。这意味着该模型预测某个无标签鸢尾花样本是变色鸢尾的概率为 95％。

与上一层完全连接的隐藏层称为 密集层。在图中，两个隐藏层都是密集的。

TensorFlow tf.keras API 是创建模型和层的首选方式。通过该 API，您可以轻松地构建模型并进行实验，而将所有部分连接在一起的复杂工作则由 Keras 处理。

tf.keras.Sequential 模型是层的线性堆叠。该模型的构造函数会采用一系列层实例；在本示例中，采用的是 2 个密集层（分别包含 10 个节点）以及 1 个输出层（包含 3 个代表标签预测的节点）。第一个层的 input_shape 参数对应该数据集中的 特征数量：

# 利用sequential方式构建模型
model = Sequential([
  # 隐藏层1，激活函数是relu,输入大小有input_shape指定
  Dense(10, activation="relu", input_shape=(4,)),  
  # 隐藏层2，激活函数是relu
  Dense(10, activation="relu"),
  # 输出层
  Dense(3,activation="softmax")
])
# 查看模型结构
model.summary()

激活函数可决定层中每个节点的输出形状。这些非线性关系很重要，如果没有它们，模型将等同于单个层。激活函数有很多，但隐藏层通常使用 relu 。

隐藏层和神经元的理想数量取决于问题和数据集。与机器学习的多个方面一样，选择最佳的神经网络形状需要一定的知识水平和实验基础。一般来说，增加隐藏层和神经元的数量通常会产生更强大的模型，而这需要更多数据才能有效地进行训练。

对于每一个神经元都有 bias 参数和 weight 参数 ，因为有 4 个输入特征值，所以每个神经元有 4 个weight，10 个神经元就有 40 个weight，每个神经元又有1个 bias ，10 个神经元就有10 个 bias ，所以隐藏层1有 50 个参数。隐藏层 2 和输出层参数以此类推。

（3）模型训练和预测

在训练和评估阶段，我们都需要计算模型的损失。这样可以衡量模型的预测结果与预期标签有多大偏差，也就是说，模型的效果有多差。
我们希望尽可能减小或优化这个值，所以我们设置优化策略和损失函数，以及模型精度的计算方法：

# 设置模型的相关参数：优化器，损失函数和评价指标
model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=["accuracy"])

可知，数组元素的数据类型为：dtype(‘O’)，即(Python) objects

X_train.dtype # dtype('O')
X_test.dtype # dtype('O')

我们需要将训练集和测试集的特征值进行数据类型转换：

X_train = np.array(X_train,dtype = np.float32)
X_test = np.array(X_test,dtype = np.float32)

接下来与在sklearn中相同，分别调用fit和predict方法进行预测即可：

# 模型训练
# epochs,训练样本送入到网络中的次数，
# batch_size:每次训练的送入到网络中的样本个数,
# verbose=1：显示训练过程的内容
model.fit(X_train,y_train_onehot,epochs=10,batch_size=1,verbose=1)

训练过程如下：

Epoch 1/10
38/38 [==============================] - 0s 822us/step - loss: 1.0963 - accuracy: 0.5467
Epoch 2/10
38/38 [==============================] - 0s 829us/step - loss: 0.9500 - accuracy: 0.5333
Epoch 3/10
38/38 [==============================] - 0s 809us/step - loss: 0.8646 - accuracy: 0.5867
Epoch 4/10
38/38 [==============================] - 0s 807us/step - loss: 0.7925 - accuracy: 0.7333
Epoch 5/10
38/38 [==============================] - 0s 844us/step - loss: 0.7279 - accuracy: 0.7333
Epoch 6/10
38/38 [==============================] - 0s 788us/step - loss: 0.6779 - accuracy: 0.7333
Epoch 7/10
38/38 [==============================] - 0s 801us/step - loss: 0.6288 - accuracy: 0.7333
Epoch 8/10
38/38 [==============================] - 0s 870us/step - loss: 0.5915 - accuracy: 0.7333
Epoch 9/10
38/38 [==============================] - 0s 798us/step - loss: 0.5546 - accuracy: 0.7333
Epoch 10/10
38/38 [==============================] - 0s 778us/step - loss: 0.5184 - accuracy: 0.7733

前面设置了训练集测试集各占50%，batch_size=1，所以每次训练送入到网络中的一条数据，当（鸢尾花总数据集共150条）75条训练集数据训练完成，为一个 epoch。epochs=10，需要训练10次。

上述代码完成的是：

• 迭代每个epoch。通过一次数据集即为一个epoch。
• 在一个epoch中，遍历训练 Dataset 中的每个样本，并获取样本的特征 (x) 和标签 (y)。
• 根据样本的特征进行预测，并比较预测结果和标签。衡量预测结果的不准确性，并使用所得的值计算模型的损失和梯度。
• 使用 optimizer 更新模型的变量。
• 对每个epoch重复执行以上步骤，直到模型训练完成。

（4）模型评估

与sklearn中不同，对训练好的模型进行评估时，与 sklearn.score 方法对应的是tf.keras.evaluate()方法，返回的是损失函数和在 compile 模型时要求的指标:

# 计算模型的损失和准确率
loss, accuracy = model.evaluate(X_test, y_test_onehot, verbose=1)
print("Accuracy = {:.2f}".format(accuracy))