《30天吃掉那只 TensorFlow2.0》 3-3 高阶API示范

简介: 《30天吃掉那只 TensorFlow2.0》 3-3 高阶API示范

3-3 高阶API示范

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下面的范例使用TensorFlow的高阶API实现线性回归模型和DNN二分类模型。


TensorFlow的高阶API主要为tf.keras.models提供的模型的类接口。


使用Keras接口有以下3种方式构建模型:使用Sequential按层顺序构建模型,使用函数式API构建任意结构模型,继承Model基类构建自定义模型。


此处分别演示使用Sequential按层顺序构建模型以及继承Model基类构建自定义模型。


这里还是一开始定义一个打印时间分割线的函数

import tensorflow as tf
#打印时间分割线
@tf.function
def printbar():
    today_ts = tf.timestamp()%(24*60*60)
    hour = tf.cast(today_ts//3600+8,tf.int32)%tf.constant(24)
    minite = tf.cast((today_ts%3600)//60,tf.int32)
    second = tf.cast(tf.floor(today_ts%60),tf.int32)
    def timeformat(m):
        if tf.strings.length(tf.strings.format("{}",m))==1:
            return(tf.strings.format("0{}",m))
        else:
            return(tf.strings.format("{}",m))
    timestring = tf.strings.join([timeformat(hour),timeformat(minite),
                timeformat(second)],separator = ":")
    tf.print("=========="*8+timestring)


一,线性回归模型


此范例我们使用Sequential按层顺序构建模型,并使用内置model.fit方法训练模型【面向新手】。


1,准备数据


首先我们得先准备数据,我们可以用tensorflow来生成随机数,由于我们是线性回归,我们就可以利用矩阵乘法生成,并且加入一些正态扰动即可

import numpy as np 
import pandas as pd
from matplotlib import pyplot as plt 
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import models,layers,losses,metrics,optimizers
#样本数量
n = 400
# 生成测试用数据集
X = tf.random.uniform([n,2],minval=-10,maxval=10) 
w0 = tf.constant([[2.0],[-3.0]])
b0 = tf.constant([[3.0]])
Y = X@w0 + b0 + tf.random.normal([n,1],mean = 0.0,stddev= 2.0)  # @表示矩阵乘法,增加正态扰动
# 数据可视化
%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'svg'
plt.figure(figsize = (12,5))
ax1 = plt.subplot(121)
ax1.scatter(X[:,0],Y[:,0], c = "b")
plt.xlabel("x1")
plt.ylabel("y",rotation = 0)
ax2 = plt.subplot(122)
ax2.scatter(X[:,1],Y[:,0], c = "g")
plt.xlabel("x2")
plt.ylabel("y",rotation = 0)
plt.show()

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2,定义模型


这里的定义模型,我们可以用tf.keras的高阶API,简单就可以定义完成,只需要通过add

tf.keras.backend.clear_session()
model = models.Sequential()
model.add(layers.Dense(1,input_shape =(2,)))
model.summary()
Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
dense (Dense)                (None, 1)                 3         
=================================================================
Total params: 3
Trainable params: 3
Non-trainable params: 0


3,训练模型


这里可以直接用fit方法训练,不需要写过多的东西

### 使用fit方法进行训练
model.compile(optimizer="adam",loss="mse",metrics=["mae"])
model.fit(X,Y,batch_size = 10,epochs = 200)  
tf.print("w = ",model.layers[0].kernel)
tf.print("b = ",model.layers[0].bias)
Epoch 197/200
400/400 [==============================] - 0s 190us/sample - loss: 4.3977 - mae: 1.7129
Epoch 198/200
400/400 [==============================] - 0s 172us/sample - loss: 4.3918 - mae: 1.7117
Epoch 199/200
400/400 [==============================] - 0s 134us/sample - loss: 4.3861 - mae: 1.7106
Epoch 200/200
400/400 [==============================] - 0s 166us/sample - loss: 4.3786 - mae: 1.7092
w =  [[1.99339032]
 [-3.00866461]]
b =  [2.67018795]
# 结果可视化
%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'svg'
w,b = model.variables
plt.figure(figsize = (12,5))
ax1 = plt.subplot(121)
ax1.scatter(X[:,0],Y[:,0], c = "b",label = "samples")
ax1.plot(X[:,0],w[0]*X[:,0]+b[0],"-r",linewidth = 5.0,label = "model")
ax1.legend()
plt.xlabel("x1")
plt.ylabel("y",rotation = 0)
ax2 = plt.subplot(122)
ax2.scatter(X[:,1],Y[:,0], c = "g",label = "samples")
ax2.plot(X[:,1],w[1]*X[:,1]+b[0],"-r",linewidth = 5.0,label = "model")
ax2.legend()
plt.xlabel("x2")
plt.ylabel("y",rotation = 0)
plt.show()

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二,DNN二分类模型


此范例我们使用继承Model基类构建自定义模型,并构建自定义训练循环【面向专家】


1,准备数据


这里和前面有些类似,首先我们利用tensorflow的random函数来得到我们的数据

生成正样本, 小圆环分布

生成负样本, 大圆环分布

生成后也可以可视化,对数据的分布有一个更好的理解

import numpy as np 
import pandas as pd 
from matplotlib import pyplot as plt
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers,losses,metrics,optimizers
%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'svg'
#正负样本数量
n_positive,n_negative = 2000,2000
#生成正样本, 小圆环分布
r_p = 5.0 + tf.random.truncated_normal([n_positive,1],0.0,1.0)
theta_p = tf.random.uniform([n_positive,1],0.0,2*np.pi) 
Xp = tf.concat([r_p*tf.cos(theta_p),r_p*tf.sin(theta_p)],axis = 1)
Yp = tf.ones_like(r_p)
#生成负样本, 大圆环分布
r_n = 8.0 + tf.random.truncated_normal([n_negative,1],0.0,1.0)
theta_n = tf.random.uniform([n_negative,1],0.0,2*np.pi) 
Xn = tf.concat([r_n*tf.cos(theta_n),r_n*tf.sin(theta_n)],axis = 1)
Yn = tf.zeros_like(r_n)
#汇总样本
X = tf.concat([Xp,Xn],axis = 0)
Y = tf.concat([Yp,Yn],axis = 0)
#样本洗牌
data = tf.concat([X,Y],axis = 1)
data = tf.random.shuffle(data)
X = data[:,:2]
Y = data[:,2:]
#可视化
plt.figure(figsize = (6,6))
plt.scatter(Xp[:,0].numpy(),Xp[:,1].numpy(),c = "r")
plt.scatter(Xn[:,0].numpy(),Xn[:,1].numpy(),c = "g")
plt.legend(["positive","negative"]);

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这里还是构建数据管道

ds_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((X[0:n*3//4,:],Y[0:n*3//4,:])) \
     .shuffle(buffer_size = 1000).batch(20) \
     .prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE) \
     .cache()
ds_valid = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((X[n*3//4:,:],Y[n*3//4:,:])) \
     .batch(20) \
     .prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE) \
     .cache()


2,定义模型


这里的定义模型是和中阶API的一样的,定义正向传播和模型的结构

tf.keras.backend.clear_session()
class DNNModel(models.Model):
    def __init__(self):
        super(DNNModel, self).__init__()
    def build(self,input_shape):
        self.dense1 = layers.Dense(4,activation = "relu",name = "dense1") 
        self.dense2 = layers.Dense(8,activation = "relu",name = "dense2")
        self.dense3 = layers.Dense(1,activation = "sigmoid",name = "dense3")
        super(DNNModel,self).build(input_shape)
    # 正向传播
    @tf.function(input_signature=[tf.TensorSpec(shape = [None,2], dtype = tf.float32)])  
    def call(self,x):
        x = self.dense1(x)
        x = self.dense2(x)
        y = self.dense3(x)
        return y
model = DNNModel()
model.build(input_shape =(None,2))
model.summary()
Model: "dnn_model"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
dense1 (Dense)               multiple                  12        
_________________________________________________________________
dense2 (Dense)               multiple                  40        
_________________________________________________________________
dense3 (Dense)               multiple                  9         
=================================================================
Total params: 61
Trainable params: 61
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

3,训练模型

### 自定义训练循环
optimizer = optimizers.Adam(learning_rate=0.01)
loss_func = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy()
train_loss = tf.keras.metrics.Mean(name='train_loss')
train_metric = tf.keras.metrics.BinaryAccuracy(name='train_accuracy')
valid_loss = tf.keras.metrics.Mean(name='valid_loss')
valid_metric = tf.keras.metrics.BinaryAccuracy(name='valid_accuracy')
@tf.function
def train_step(model, features, labels):
    with tf.GradientTape() as tape:
        predictions = model(features)
        loss = loss_func(labels, predictions)
    grads = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
    optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_variables))
    train_loss.update_state(loss)
    train_metric.update_state(labels, predictions)
@tf.function
def valid_step(model, features, labels):
    predictions = model(features)
    batch_loss = loss_func(labels, predictions)
    valid_loss.update_state(batch_loss)
    valid_metric.update_state(labels, predictions)
def train_model(model,ds_train,ds_valid,epochs):
    for epoch in tf.range(1,epochs+1):
        for features, labels in ds_train:
            train_step(model,features,labels)
        for features, labels in ds_valid:
            valid_step(model,features,labels)
        logs = 'Epoch={},Loss:{},Accuracy:{},Valid Loss:{},Valid Accuracy:{}'
        if  epoch%100 ==0:
            printbar()
            tf.print(tf.strings.format(logs,
            (epoch,train_loss.result(),train_metric.result(),valid_loss.result(),valid_metric.result())))
        train_loss.reset_states()
        valid_loss.reset_states()
        train_metric.reset_states()
        valid_metric.reset_states()
train_model(model,ds_train,ds_valid,1000)
================================================================================17:35:02
Epoch=100,Loss:0.194088802,Accuracy:0.923064,Valid Loss:0.215538561,Valid Accuracy:0.904368
================================================================================17:35:22
Epoch=200,Loss:0.151239693,Accuracy:0.93768847,Valid Loss:0.181166962,Valid Accuracy:0.920664132
================================================================================17:35:43
Epoch=300,Loss:0.134556711,Accuracy:0.944247484,Valid Loss:0.171530813,Valid Accuracy:0.926396072
================================================================================17:36:04
Epoch=400,Loss:0.125722557,Accuracy:0.949172914,Valid Loss:0.16731061,Valid Accuracy:0.929318547
================================================================================17:36:24
Epoch=500,Loss:0.120216407,Accuracy:0.952525079,Valid Loss:0.164817035,Valid Accuracy:0.931044817
================================================================================17:36:44
Epoch=600,Loss:0.116434008,Accuracy:0.954830289,Valid Loss:0.163089141,Valid Accuracy:0.932202339
================================================================================17:37:05
Epoch=700,Loss:0.113658346,Accuracy:0.956433,Valid Loss:0.161804497,Valid Accuracy:0.933092058
================================================================================17:37:25
Epoch=800,Loss:0.111522928,Accuracy:0.957467675,Valid Loss:0.160796657,Valid Accuracy:0.93379426
================================================================================17:37:46
Epoch=900,Loss:0.109816991,Accuracy:0.958205402,Valid Loss:0.159987748,Valid Accuracy:0.934343576
================================================================================17:38:06
Epoch=1000,Loss:0.10841465,Accuracy:0.958805501,Valid Loss:0.159325734,Valid Accuracy:0.934785843
# 结果可视化
fig, (ax1,ax2) = plt.subplots(nrows=1,ncols=2,figsize = (12,5))
ax1.scatter(Xp[:,0].numpy(),Xp[:,1].numpy(),c = "r")
ax1.scatter(Xn[:,0].numpy(),Xn[:,1].numpy(),c = "g")
ax1.legend(["positive","negative"]);
ax1.set_title("y_true");
Xp_pred = tf.boolean_mask(X,tf.squeeze(model(X)>=0.5),axis = 0)
Xn_pred = tf.boolean_mask(X,tf.squeeze(model(X)<0.5),axis = 0)
ax2.scatter(Xp_pred[:,0].numpy(),Xp_pred[:,1].numpy(),c = "r")
ax2.scatter(Xn_pred[:,0].numpy(),Xn_pred[:,1].numpy(),c = "g")
ax2.legend(["positive","negative"]);
ax2.set_title("y_pred");


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