用 TensorFlow.js 在浏览器中训练神经网络

本文结构：

1. 什么是 TensorFlow.js
2. 为什么要在浏览器中运行机器学习算法
3. 应用举例：regression
4. 和 tflearn 的代码比较

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1. 什么是 TensorFlow.js

TensorFlow.js 是一个开源库，不仅可以在浏览器中运行机器学习模型，还可以训练模型。
具有 GPU 加速功能，并自动支持 WebGL
可以导入已经训练好的模型，也可以在浏览器中重新训练现有的所有机器学习模型
运行 Tensorflow.js 只需要你的浏览器，而且在本地开发的代码与发送给用户的代码是相同的。

TensorFlow.js 对未来 web 开发有着重要的影响，JS 开发者可以更容易地实现机器学习，工程师和数据科学家们可以有一种新的方法来训练算法，例如官网上 Emoji Scavenger Hunt 这样的游戏界面，让用户一边玩游戏一边将模型训练地更好。

用 Tensorflow.js 可以做很多事情，
例如 object detection in images, speech recognition, music composition，
而且 不需要安装任何库，也不用一次又一次地编译这些代码。

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2. 为什么要在浏览器中运行机器学习算法

TensorFlow.js 可以为用户解锁巨大价值：

1. 隐私：用户端的机器学习，用来训练模型的数据还有模型的使用都在用户的设备上完成，这意味着不需要把数据传送或存储在服务器上。
2. 更广泛的使用：几乎每个电脑手机平板上都有浏览器，并且几乎每个浏览器都可以运行JS，无需下载或安装任何应用程序，在浏览器中就可以运行机器学习框架来实现更高的用户转换率，提高满意度，例如虚拟试衣间等服务。
3. 分布式计算：每次用户使用系统时，他都是在自己的设备上运行机器学习算法，之后新的数据点将被推送到服务器来帮助改进模型，那么未来的用户就可以使用训练的更好的算法了，这样可以减少训练成本，并且持续训练模型。

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3. 应用举例：regression

为了很快地看看效果，有下面三种方式：

1. 可以直接从浏览器里写代码，例如 chrome 的 View > Developer > Javascript Console，
2. 还可以在线写
   有三个流行的在线 JS 平台：CodePen, JSFiddle, JSBin.
   https://codepen.io/thekevinscott/pen/aGapZL
   https://jsfiddle.net/
   https://jsbin.com/?html,output
3. 当然还可以在本地把代码保存为.html文件并用浏览器打开

那么先来看一下下面这段代码，可以在 codepen 中运行：
https://codepen.io/pen?&editors=1011

这段代码的目的是做个回归预测，

数据集为：
构造符合 Y=2X-1 的几个点，
那么当 X 取 [-1, 0, 1, 2, 3, 4] 时，
y 为 [-3, -1, 1, 3, 5, 7]，

• 首先是熟悉的 js 的基础结构：

• 在 head 中，从 CDN 引用 TensorFlow.js，这样就可以使用 API 了：
  https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/[email protected]

• 然后建立模型，因为 input ，output 都只有一个，所以就建立一个 single node，即：

        const model = tf.sequential();
        model.add(tf.layers.dense({
            units: 1, 
            inputShape: [1]
        }));

• 接着定义 loss 为 MSE 和 optimizer 为 SGD：

        model.compile({
            loss: 'meanSquaredError',
            optimizer: 'sgd'
        });

• 同时需要定义 input 的 tensor，X 和 y，以及它们的维度都是 [6, 1]：

        const xs = tf.tensor2d([-1, 0, 1, 2, 3, 4], [6, 1]);
        const ys = tf.tensor2d([-3, -1, 1, 3, 5, 7], [6, 1]);

• 然后用 fit 来训练模型，因为要等模型训练完才能预测，所以要用 await：

        await model.fit(xs, ys, {epochs: 500});

• 训练结束后，用 predict 进行预测，输入的是 [1, 1] 维的 值为 10 的tensor ，

        document.getElementById('output_field').innerText =
            model.predict( tf.tensor2d([10], [1, 1]) );

• 最后得到的输出为

Tensor 
[[18.9862976],]

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4. 和 tflearn 的代码比较

再来通过一个简单的例子来比较一下 Tensorflow.js 和 tflearn，
可以看出如果熟悉 tflearn 的话，那么 Tensorflow.js 会非常容易上手，

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学习资料：
https://medium.com/tensorflow/getting-started-with-tensorflow-js-50f6783489b2
https://thekevinscott.com/reasons-for-machine-learning-in-the-browser/
https://www.analyticsvidhya.com/blog/2018/04/tensorflow-js-build-machine-learning-models-javascript/
https://hackernoon.com/introducing-tensorflow-js-3f31d70f5904
https://thekevinscott.com/tensorflowjs-hello-world/

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