Смотрите основные доклады, презентации продуктов, семинары и многое другое на Google I / O См. Плейлист

tf.data: сборка входных конвейеров TensorFlow

Посмотреть на TensorFlow.org Запускаем в Google Colab Посмотреть исходный код на GitHub Скачать блокнот

API tf.data позволяет создавать сложные конвейеры ввода из простых многоразовых частей. Например, конвейер для модели изображения может агрегировать данные из файлов в распределенной файловой системе, применять случайные возмущения к каждому изображению и объединять случайно выбранные изображения в пакет для обучения. Конвейер для текстовой модели может включать извлечение символов из необработанных текстовых данных, преобразование их во встраиваемые идентификаторы с помощью таблицы поиска и группирование последовательностей разной длины. API tf.data позволяет обрабатывать большие объемы данных, читать из разных форматов данных и выполнять сложные преобразования.

API tf.data представляет абстракциюtf.data.Dataset которая представляет последовательность элементов, в которой каждый элемент состоит из одного или нескольких компонентов. Например, в конвейере изображений элемент может быть единственным обучающим примером с парой компонентов тензора, представляющих изображение и его метку.

Есть два разных способа создать набор данных:

  • Источник данных создает Dataset из данных , хранящихся в памяти или в одном или нескольких файлах.

  • Преобразование данных создает набор данных из одного или нескольких объектовtf.data.Dataset .

import tensorflow as tf
import pathlib
import os
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import numpy as np

np.set_printoptions(precision=4)

Базовая механика

Чтобы создать конвейер ввода, вы должны начать с источника данных. Например, чтобы создать Dataset из данных в памяти, вы можете использовать tf.data.Dataset.from_tensors() или tf.data.Dataset.from_tensor_slices() . В качестве альтернативы, если ваши входные данные хранятся в файле в рекомендуемом формате TFRecord, вы можете использовать tf.data.TFRecordDataset() .

Если у вас есть объект Dataset , вы можете преобразовать его в новый Dataset ,tf.data.Dataset вызовыtf.data.Dataset объектеtf.data.Dataset . Например, вы можете применять преобразования для Dataset.map() элементов, такие как Dataset.map() , и многоэлементные преобразования, такие как Dataset.batch() . См. Документацию дляtf.data.Dataset для получения полного списка преобразований.

Объект Dataset является итерируемым Python. Это позволяет использовать его элементы с помощью цикла for:

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices([8, 3, 0, 8, 2, 1])
dataset
<TensorSliceDataset shapes: (), types: tf.int32>
for elem in dataset:
  print(elem.numpy())
8
3
0
8
2
1

Или путем явного создания итератора Python с помощью iter и использования его элементов с помощью next :

it = iter(dataset)

print(next(it).numpy())
8

В качестве альтернативы элементы набора данных можно использовать с помощью преобразования reduce , которое сокращает все элементы для получения единого результата. В следующем примере показано, как использовать преобразование reduce для вычисления суммы набора данных целых чисел.

print(dataset.reduce(0, lambda state, value: state + value).numpy())
22

Структура набора данных

Набор данных создает последовательность элементов , где каждый элемент представляет собой одну и ту же (вложенную) структуру компонентов . Отдельные компоненты структуры могут быть любого типа, представленного tf.TypeSpec , включая tf.Tensor , tf.sparse.SparseTensor ,tf.RaggedTensor , tf.TensorArray илиtf.data.Dataset .

Конструкции Python, которые можно использовать для выражения (вложенной) структуры элементов, включают tuple , dict , NamedTuple и OrderedDict . В частности, list не является допустимой конструкцией для выражения структуры элементов набора данных. Это связано с тем, что первые пользователи tf.data серьезно относились к входам list (например, передаваемым в tf.data.Dataset.from_tensors ), которые автоматически упаковываются как тензоры, а выходные данные list (например, возвращаемые значения пользовательских функций) приводятся в tuple . Как следствие, если вы хотите, чтобы ввод list рассматривался как структура, вам необходимо преобразовать его в tuple а если вы хотите, чтобы вывод list был одним компонентом, вам необходимо явно упаковать его с помощью tf.stack .

Свойство Dataset.element_spec позволяет вам проверять тип каждого компонента элемента. Свойство возвращает вложенную структуру объектов tf.TypeSpec , соответствующую структуре элемента, которая может быть отдельным компонентом, кортежем компонентов или вложенным кортежем компонентов. Например:

dataset1 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(tf.random.uniform([4, 10]))

dataset1.element_spec
TensorSpec(shape=(10,), dtype=tf.float32, name=None)
dataset2 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(
   (tf.random.uniform([4]),
    tf.random.uniform([4, 100], maxval=100, dtype=tf.int32)))

dataset2.element_spec
(TensorSpec(shape=(), dtype=tf.float32, name=None),
 TensorSpec(shape=(100,), dtype=tf.int32, name=None))
dataset3 = tf.data.Dataset.zip((dataset1, dataset2))

dataset3.element_spec
(TensorSpec(shape=(10,), dtype=tf.float32, name=None),
 (TensorSpec(shape=(), dtype=tf.float32, name=None),
  TensorSpec(shape=(100,), dtype=tf.int32, name=None)))
# Dataset containing a sparse tensor.
dataset4 = tf.data.Dataset.from_tensors(tf.SparseTensor(indices=[[0, 0], [1, 2]], values=[1, 2], dense_shape=[3, 4]))

dataset4.element_spec
SparseTensorSpec(TensorShape([3, 4]), tf.int32)
# Use value_type to see the type of value represented by the element spec
dataset4.element_spec.value_type
tensorflow.python.framework.sparse_tensor.SparseTensor

Преобразования наборов Dataset поддерживают наборы данных любой структуры. При использовании Dataset.map() и Dataset.filter() , которые применяют функцию к каждому элементу, структура элемента определяет аргументы функции:

dataset1 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(
    tf.random.uniform([4, 10], minval=1, maxval=10, dtype=tf.int32))

dataset1
<TensorSliceDataset shapes: (10,), types: tf.int32>
for z in dataset1:
  print(z.numpy())
[2 7 7 7 5 9 3 3 5 2]
[9 9 7 3 6 2 3 8 7 1]
[2 9 7 1 8 7 8 3 8 2]
[7 5 2 6 9 4 4 1 6 4]
dataset2 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(
   (tf.random.uniform([4]),
    tf.random.uniform([4, 100], maxval=100, dtype=tf.int32)))

dataset2
<TensorSliceDataset shapes: ((), (100,)), types: (tf.float32, tf.int32)>
dataset3 = tf.data.Dataset.zip((dataset1, dataset2))

dataset3
<ZipDataset shapes: ((10,), ((), (100,))), types: (tf.int32, (tf.float32, tf.int32))>
for a, (b,c) in dataset3:
  print('shapes: {a.shape}, {b.shape}, {c.shape}'.format(a=a, b=b, c=c))
shapes: (10,), (), (100,)
shapes: (10,), (), (100,)
shapes: (10,), (), (100,)
shapes: (10,), (), (100,)

Чтение входных данных

Использование массивов NumPy

Дополнительные примеры см. В разделе Загрузка массивов NumPy .

Если все ваши входные данные умещаются в памяти, самый простой способ создать из них Dataset - это преобразовать их в объекты tf.Tensor и использовать Dataset.from_tensor_slices() .

train, test = tf.keras.datasets.fashion_mnist.load_data()
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/train-labels-idx1-ubyte.gz
32768/29515 [=================================] - 0s 0us/step
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/train-images-idx3-ubyte.gz
26427392/26421880 [==============================] - 0s 0us/step
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/t10k-labels-idx1-ubyte.gz
8192/5148 [===============================================] - 0s 0us/step
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/t10k-images-idx3-ubyte.gz
4423680/4422102 [==============================] - 0s 0us/step
images, labels = train
images = images/255

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((images, labels))
dataset
<TensorSliceDataset shapes: ((28, 28), ()), types: (tf.float64, tf.uint8)>

Использование генераторов Python

Еще один распространенный источник данных, который можно легко принять какtf.data.Dataset - это генератор Python.

def count(stop):
  i = 0
  while i<stop:
    yield i
    i += 1
for n in count(5):
  print(n)
0
1
2
3
4

Конструктор Dataset.from_generator преобразует генератор Python в полнофункциональныйtf.data.Dataset .

Конструктор принимает в качестве входных данных вызываемый объект, а не итератор. Это позволяет перезапустить генератор, когда он достигнет конца. Он принимает необязательный аргумент args , который передается как аргументы вызываемого объекта.

Аргумент output_types является обязательным, потому что tf.data создает внутри tf.Graph , а ребрам графа требуется tf.dtype .

ds_counter = tf.data.Dataset.from_generator(count, args=[25], output_types=tf.int32, output_shapes = (), )
for count_batch in ds_counter.repeat().batch(10).take(10):
  print(count_batch.numpy())
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[10 11 12 13 14 15 16 17 18 19]
[20 21 22 23 24  0  1  2  3  4]
[ 5  6  7  8  9 10 11 12 13 14]
[15 16 17 18 19 20 21 22 23 24]
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[10 11 12 13 14 15 16 17 18 19]
[20 21 22 23 24  0  1  2  3  4]
[ 5  6  7  8  9 10 11 12 13 14]
[15 16 17 18 19 20 21 22 23 24]

Аргумент output_shapes не требуется, но настоятельно рекомендуется, поскольку многие операции тензорного потока не поддерживают тензоры с неизвестным рангом. Если длина конкретной оси неизвестна или переменная, установите для нее значение None в output_shapes .

Также важно отметить, что output_shapes и output_types следуют тем же правилам вложения, что и другие методы набора данных.

Вот пример генератора, который демонстрирует оба аспекта, он возвращает кортежи массивов, где второй массив - это вектор с неизвестной длиной.

def gen_series():
  i = 0
  while True:
    size = np.random.randint(0, 10)
    yield i, np.random.normal(size=(size,))
    i += 1
for i, series in gen_series():
  print(i, ":", str(series))
  if i > 5:
    break
0 : [0.2357]
1 : [-0.4635  0.0882 -0.7401 -1.2436 -0.1392  1.8694 -2.2567  1.5493 -1.0368]
2 : []
3 : []
4 : [1.1482 1.0136]
5 : [ 0.7923 -2.2942  0.4162  1.5056  1.6008  0.1861]
6 : [ 0.7311  0.9217  1.3697 -1.0795  1.0586 -1.0768]

Первый вывод - это int32 второй - float32 .

Первый элемент - это скаляр shape () , а второй - вектор неизвестной длины shape (None,)

ds_series = tf.data.Dataset.from_generator(
    gen_series, 
    output_types=(tf.int32, tf.float32), 
    output_shapes=((), (None,)))

ds_series
<FlatMapDataset shapes: ((), (None,)), types: (tf.int32, tf.float32)>

Теперь его можно использовать как обычныйtf.data.Dataset . Обратите внимание, что при пакетировании набора данных с переменной формой вам необходимо использовать Dataset.padded_batch .

ds_series_batch = ds_series.shuffle(20).padded_batch(10)

ids, sequence_batch = next(iter(ds_series_batch))
print(ids.numpy())
print()
print(sequence_batch.numpy())
[17 11 18  8 23  2  6 13 26 28]

[[ 1.0784e+00  6.2397e-01  3.3750e-01 -2.1123e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [ 1.3756e-01 -1.5717e+00 -8.0335e-01  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-9.1093e-01  6.3951e-01  4.9384e-04  2.0273e+00 -3.6473e-01 -3.6264e-02
  -7.3862e-01 -5.3504e-01]
 [ 1.6893e-01  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-1.1584e+00 -7.9125e-01  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-1.7383e-01 -2.5935e-01  4.8755e-01  1.5578e+00 -4.7534e-01  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-4.0072e-01 -7.4969e-01 -1.1954e+00  9.0354e-02  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-8.6638e-02 -1.4680e+00  1.3155e+00  1.1772e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-1.1352e-01 -1.1264e+00  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]
 [-1.2858e+00  7.7001e-02 -1.7588e-01  0.0000e+00  0.0000e+00  0.0000e+00
   0.0000e+00  0.0000e+00]]

Для более реалистичного примера попробуйте обернуть preprocessing.image.ImageDataGenerator какtf.data.Dataset .

Сначала загрузите данные:

flowers = tf.keras.utils.get_file(
    'flower_photos',
    'https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz',
    untar=True)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz
228818944/228813984 [==============================] - 1s 0us/step

Создайте image.ImageDataGenerator

img_gen = tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(rescale=1./255, rotation_range=20)
images, labels = next(img_gen.flow_from_directory(flowers))
Found 3670 images belonging to 5 classes.
print(images.dtype, images.shape)
print(labels.dtype, labels.shape)
float32 (32, 256, 256, 3)
float32 (32, 5)
ds = tf.data.Dataset.from_generator(
    lambda: img_gen.flow_from_directory(flowers), 
    output_types=(tf.float32, tf.float32), 
    output_shapes=([32,256,256,3], [32,5])
)

ds.element_spec
(TensorSpec(shape=(32, 256, 256, 3), dtype=tf.float32, name=None),
 TensorSpec(shape=(32, 5), dtype=tf.float32, name=None))
for images, label in ds.take(1):
  print('images.shape: ', images.shape)
  print('labels.shape: ', labels.shape)
Found 3670 images belonging to 5 classes.
images.shape:  (32, 256, 256, 3)
labels.shape:  (32, 5)

Использование данных TFRecord

См. « Загрузка TFRecords» для полного примера.

API tf.data поддерживает множество форматов файлов, поэтому вы можете обрабатывать большие наборы данных, которые не помещаются в памяти. Например, формат файла TFRecord - это простой двоичный формат, ориентированный на записи, который многие приложения TensorFlow используют для обучающих данных. Класс tf.data.TFRecordDataset позволяет выполнять tf.data.TFRecordDataset содержимого одного или нескольких файлов TFRecord как части входного конвейера.

Вот пример использования тестового файла из французских уличных указателей (FSNS).

# Creates a dataset that reads all of the examples from two files.
fsns_test_file = tf.keras.utils.get_file("fsns.tfrec", "https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/fsns-20160927/testdata/fsns-00000-of-00001")
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/fsns-20160927/testdata/fsns-00000-of-00001
7905280/7904079 [==============================] - 0s 0us/step

Аргумент filenames для инициализатора TFRecordDataset может быть строкой, списком строк или tf.Tensor строк. Поэтому, если у вас есть два набора файлов для обучения и проверки, вы можете создать фабричный метод, который производит набор данных, принимая имена файлов в качестве входного аргумента:

dataset = tf.data.TFRecordDataset(filenames = [fsns_test_file])
dataset
<TFRecordDatasetV2 shapes: (), types: tf.string>

Многие проекты tf.train.Example используют сериализованные записи tf.train.Example в своих файлах TFRecord. Их необходимо расшифровать, прежде чем их можно будет проверить:

raw_example = next(iter(dataset))
parsed = tf.train.Example.FromString(raw_example.numpy())

parsed.features.feature['image/text']
bytes_list {
  value: "Rue Perreyon"
}

Потребление текстовых данных

См. Раздел Загрузка текста для полного примера.

Многие наборы данных распространяются в виде одного или нескольких текстовых файлов. tf.data.TextLineDataset предоставляет простой способ извлечения строк из одного или нескольких текстовых файлов. Учитывая одно или несколько имен файлов, TextLineDataset будет создавать по одному элементу со строковым значением для каждой строки этих файлов.

directory_url = 'https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/illiad/'
file_names = ['cowper.txt', 'derby.txt', 'butler.txt']

file_paths = [
    tf.keras.utils.get_file(file_name, directory_url + file_name)
    for file_name in file_names
]
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/illiad/cowper.txt
819200/815980 [==============================] - 0s 0us/step
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/illiad/derby.txt
811008/809730 [==============================] - 0s 0us/step
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/illiad/butler.txt
811008/807992 [==============================] - 0s 0us/step
dataset = tf.data.TextLineDataset(file_paths)

Вот несколько первых строк первого файла:

for line in dataset.take(5):
  print(line.numpy())
b"\xef\xbb\xbfAchilles sing, O Goddess! Peleus' son;"
b'His wrath pernicious, who ten thousand woes'
b"Caused to Achaia's host, sent many a soul"
b'Illustrious into Ades premature,'
b'And Heroes gave (so stood the will of Jove)'

Чтобы чередовать строки между файлами, используйте Dataset.interleave . Это упрощает перемешивание файлов вместе. Вот первая, вторая и третья строки каждого перевода:

files_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(file_paths)
lines_ds = files_ds.interleave(tf.data.TextLineDataset, cycle_length=3)

for i, line in enumerate(lines_ds.take(9)):
  if i % 3 == 0:
    print()
  print(line.numpy())
b"\xef\xbb\xbfAchilles sing, O Goddess! Peleus' son;"
b"\xef\xbb\xbfOf Peleus' son, Achilles, sing, O Muse,"
b'\xef\xbb\xbfSing, O goddess, the anger of Achilles son of Peleus, that brought'

b'His wrath pernicious, who ten thousand woes'
b'The vengeance, deep and deadly; whence to Greece'
b'countless ills upon the Achaeans. Many a brave soul did it send'

b"Caused to Achaia's host, sent many a soul"
b'Unnumbered ills arose; which many a soul'
b'hurrying down to Hades, and many a hero did it yield a prey to dogs and'

По умолчанию TextLineDataset выдает каждую строку каждого файла, что может быть нежелательно, например, если файл начинается со строки заголовка или содержит комментарии. Эти строки можно удалить с помощью Dataset.skip() или Dataset.filter() . Здесь вы пропускаете первую строку, а затем фильтруете, чтобы найти только выживших.

titanic_file = tf.keras.utils.get_file("train.csv", "https://storage.googleapis.com/tf-datasets/titanic/train.csv")
titanic_lines = tf.data.TextLineDataset(titanic_file)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tf-datasets/titanic/train.csv
32768/30874 [===============================] - 0s 0us/step
for line in titanic_lines.take(10):
  print(line.numpy())
b'survived,sex,age,n_siblings_spouses,parch,fare,class,deck,embark_town,alone'
b'0,male,22.0,1,0,7.25,Third,unknown,Southampton,n'
b'1,female,38.0,1,0,71.2833,First,C,Cherbourg,n'
b'1,female,26.0,0,0,7.925,Third,unknown,Southampton,y'
b'1,female,35.0,1,0,53.1,First,C,Southampton,n'
b'0,male,28.0,0,0,8.4583,Third,unknown,Queenstown,y'
b'0,male,2.0,3,1,21.075,Third,unknown,Southampton,n'
b'1,female,27.0,0,2,11.1333,Third,unknown,Southampton,n'
b'1,female,14.0,1,0,30.0708,Second,unknown,Cherbourg,n'
b'1,female,4.0,1,1,16.7,Third,G,Southampton,n'
def survived(line):
  return tf.not_equal(tf.strings.substr(line, 0, 1), "0")

survivors = titanic_lines.skip(1).filter(survived)
for line in survivors.take(10):
  print(line.numpy())
b'1,female,38.0,1,0,71.2833,First,C,Cherbourg,n'
b'1,female,26.0,0,0,7.925,Third,unknown,Southampton,y'
b'1,female,35.0,1,0,53.1,First,C,Southampton,n'
b'1,female,27.0,0,2,11.1333,Third,unknown,Southampton,n'
b'1,female,14.0,1,0,30.0708,Second,unknown,Cherbourg,n'
b'1,female,4.0,1,1,16.7,Third,G,Southampton,n'
b'1,male,28.0,0,0,13.0,Second,unknown,Southampton,y'
b'1,female,28.0,0,0,7.225,Third,unknown,Cherbourg,y'
b'1,male,28.0,0,0,35.5,First,A,Southampton,y'
b'1,female,38.0,1,5,31.3875,Third,unknown,Southampton,n'

Использование данных CSV

Дополнительные примеры см. В разделах Загрузка файлов CSV и Загрузка фреймов данных Pandas .

Формат файла CSV - популярный формат для хранения табличных данных в виде простого текста.

Например:

titanic_file = tf.keras.utils.get_file("train.csv", "https://storage.googleapis.com/tf-datasets/titanic/train.csv")
df = pd.read_csv(titanic_file)
df.head()

Если ваши данные умещаются в памяти, тот же метод Dataset.from_tensor_slices работает со словарями, позволяя легко импортировать эти данные:

titanic_slices = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(dict(df))

for feature_batch in titanic_slices.take(1):
  for key, value in feature_batch.items():
    print("  {!r:20s}: {}".format(key, value))
'survived'          : 0
  'sex'               : b'male'
  'age'               : 22.0
  'n_siblings_spouses': 1
  'parch'             : 0
  'fare'              : 7.25
  'class'             : b'Third'
  'deck'              : b'unknown'
  'embark_town'       : b'Southampton'
  'alone'             : b'n'

Более масштабируемый подход - загрузка с диска по мере необходимости.

Модуль tf.data предоставляет методы для извлечения записей из одного или нескольких файлов CSV, соответствующих RFC 4180 .

Функция experimental.make_csv_dataset - это высокоуровневый интерфейс для чтения наборов файлов csv. Он поддерживает вывод типа столбца и многие другие функции, такие как пакетирование и перемешивание, чтобы упростить использование.

titanic_batches = tf.data.experimental.make_csv_dataset(
    titanic_file, batch_size=4,
    label_name="survived")
for feature_batch, label_batch in titanic_batches.take(1):
  print("'survived': {}".format(label_batch))
  print("features:")
  for key, value in feature_batch.items():
    print("  {!r:20s}: {}".format(key, value))
'survived': [1 1 1 1]
features:
  'sex'               : [b'female' b'female' b'male' b'female']
  'age'               : [40. 30. 17. 19.]
  'n_siblings_spouses': [0 0 0 0]
  'parch'             : [0 0 2 0]
  'fare'              : [ 13.      12.475  110.8833  26.    ]
  'class'             : [b'Second' b'Third' b'First' b'Second']
  'deck'              : [b'unknown' b'unknown' b'C' b'unknown']
  'embark_town'       : [b'Southampton' b'Southampton' b'Cherbourg' b'Southampton']
  'alone'             : [b'y' b'y' b'n' b'y']

Вы можете использовать аргумент select_columns если вам нужно только подмножество столбцов.

titanic_batches = tf.data.experimental.make_csv_dataset(
    titanic_file, batch_size=4,
    label_name="survived", select_columns=['class', 'fare', 'survived'])
for feature_batch, label_batch in titanic_batches.take(1):
  print("'survived': {}".format(label_batch))
  for key, value in feature_batch.items():
    print("  {!r:20s}: {}".format(key, value))
'survived': [0 0 0 0]
  'fare'              : [ 15.5   55.9    8.05 108.9 ]
  'class'             : [b'Third' b'First' b'Third' b'First']

Существует также низкоуровневый experimental.CsvDataset класс .CsvDataset, обеспечивающий более детальный контроль. Он не поддерживает вывод типа столбца. Вместо этого вы должны указать тип каждого столбца.

titanic_types  = [tf.int32, tf.string, tf.float32, tf.int32, tf.int32, tf.float32, tf.string, tf.string, tf.string, tf.string] 
dataset = tf.data.experimental.CsvDataset(titanic_file, titanic_types , header=True)

for line in dataset.take(10):
  print([item.numpy() for item in line])
[0, b'male', 22.0, 1, 0, 7.25, b'Third', b'unknown', b'Southampton', b'n']
[1, b'female', 38.0, 1, 0, 71.2833, b'First', b'C', b'Cherbourg', b'n']
[1, b'female', 26.0, 0, 0, 7.925, b'Third', b'unknown', b'Southampton', b'y']
[1, b'female', 35.0, 1, 0, 53.1, b'First', b'C', b'Southampton', b'n']
[0, b'male', 28.0, 0, 0, 8.4583, b'Third', b'unknown', b'Queenstown', b'y']
[0, b'male', 2.0, 3, 1, 21.075, b'Third', b'unknown', b'Southampton', b'n']
[1, b'female', 27.0, 0, 2, 11.1333, b'Third', b'unknown', b'Southampton', b'n']
[1, b'female', 14.0, 1, 0, 30.0708, b'Second', b'unknown', b'Cherbourg', b'n']
[1, b'female', 4.0, 1, 1, 16.7, b'Third', b'G', b'Southampton', b'n']
[0, b'male', 20.0, 0, 0, 8.05, b'Third', b'unknown', b'Southampton', b'y']

Если некоторые столбцы пусты, этот низкоуровневый интерфейс позволяет вам указать значения по умолчанию вместо типов столбцов.

%%writefile missing.csv
1,2,3,4
,2,3,4
1,,3,4
1,2,,4
1,2,3,
,,,
Writing missing.csv
# Creates a dataset that reads all of the records from two CSV files, each with
# four float columns which may have missing values.

record_defaults = [999,999,999,999]
dataset = tf.data.experimental.CsvDataset("missing.csv", record_defaults)
dataset = dataset.map(lambda *items: tf.stack(items))
dataset
<MapDataset shapes: (4,), types: tf.int32>
for line in dataset:
  print(line.numpy())
[1 2 3 4]
[999   2   3   4]
[  1 999   3   4]
[  1   2 999   4]
[  1   2   3 999]
[999 999 999 999]

По умолчанию CsvDataset выдает каждый столбец каждой строки файла, что может быть нежелательно, например, если файл начинается со строки заголовка, которую следует игнорировать, или если некоторые столбцы не требуются во входных данных. Эти строки и поля можно удалить с select_cols аргументов header и select_cols соответственно.

# Creates a dataset that reads all of the records from two CSV files with
# headers, extracting float data from columns 2 and 4.
record_defaults = [999, 999] # Only provide defaults for the selected columns
dataset = tf.data.experimental.CsvDataset("missing.csv", record_defaults, select_cols=[1, 3])
dataset = dataset.map(lambda *items: tf.stack(items))
dataset
<MapDataset shapes: (2,), types: tf.int32>
for line in dataset:
  print(line.numpy())
[2 4]
[2 4]
[999   4]
[2 4]
[  2 999]
[999 999]

Потребление наборов файлов

Существует множество наборов данных, распространенных в виде наборов файлов, каждый из которых является примером.

flowers_root = tf.keras.utils.get_file(
    'flower_photos',
    'https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz',
    untar=True)
flowers_root = pathlib.Path(flowers_root)

Корневой каталог содержит каталог для каждого класса:

for item in flowers_root.glob("*"):
  print(item.name)
sunflowers
daisy
LICENSE.txt
roses
tulips
dandelion

Файлы в каждом каталоге классов являются примерами:

list_ds = tf.data.Dataset.list_files(str(flowers_root/'*/*'))

for f in list_ds.take(5):
  print(f.numpy())
b'/home/kbuilder/.keras/datasets/flower_photos/roses/3871586333_5a708d5cf4_n.jpg'
b'/home/kbuilder/.keras/datasets/flower_photos/dandelion/19551343954_83bb52f310_m.jpg'
b'/home/kbuilder/.keras/datasets/flower_photos/tulips/13289268363_b9337d751e.jpg'
b'/home/kbuilder/.keras/datasets/flower_photos/roses/3253243865_435c1f2c2b_m.jpg'
b'/home/kbuilder/.keras/datasets/flower_photos/daisy/22244161124_53e457bb66_n.jpg'

Прочтите данные сtf.io.read_file функцииtf.io.read_file и извлеките метку из пути, возвращая пары (image, label) :

def process_path(file_path):
  label = tf.strings.split(file_path, os.sep)[-2]
  return tf.io.read_file(file_path), label

labeled_ds = list_ds.map(process_path)
for image_raw, label_text in labeled_ds.take(1):
  print(repr(image_raw.numpy()[:100]))
  print()
  print(label_text.numpy())
b'\xff\xd8\xff\xe0\x00\x10JFIF\x00\x01\x01\x00\x00\x01\x00\x01\x00\x00\xff\xfe\x00\x0cAppleMark\n\xff\xe2\x05XICC_PROFILE\x00\x01\x01\x00\x00\x05Happl\x02 \x00\x00scnrRGB XYZ \x07\xd3\x00\x07\x00\x01\x00\x00\x00\x00\x00\x00acspAPPL\x00\x00\x00\x00'

b'roses'

Пакетирование элементов набора данных

Простое дозирование

Простейшая форма пакетной обработки объединяет n последовательных элементов набора данных в один элемент. Преобразование Dataset.batch() делает именно это с теми же ограничениями, что и оператор tf.stack() , применяемым к каждому компоненту элементов: т.е. для каждого компонента i все элементы должны иметь тензор точно такой же формы.

inc_dataset = tf.data.Dataset.range(100)
dec_dataset = tf.data.Dataset.range(0, -100, -1)
dataset = tf.data.Dataset.zip((inc_dataset, dec_dataset))
batched_dataset = dataset.batch(4)

for batch in batched_dataset.take(4):
  print([arr.numpy() for arr in batch])
[array([0, 1, 2, 3]), array([ 0, -1, -2, -3])]
[array([4, 5, 6, 7]), array([-4, -5, -6, -7])]
[array([ 8,  9, 10, 11]), array([ -8,  -9, -10, -11])]
[array([12, 13, 14, 15]), array([-12, -13, -14, -15])]

Хотя tf.data пытается распространить информацию о форме, настройки по умолчанию для Dataset.batch приводят к неизвестному размеру пакета, поскольку последний пакет может быть Dataset.batch . Обратите внимание на None в форме:

batched_dataset
<BatchDataset shapes: ((None,), (None,)), types: (tf.int64, tf.int64)>

Используйте аргумент drop_remainder чтобы игнорировать этот последний пакет и получить полное распространение формы:

batched_dataset = dataset.batch(7, drop_remainder=True)
batched_dataset
<BatchDataset shapes: ((7,), (7,)), types: (tf.int64, tf.int64)>

Пакетные тензоры с заполнением

Приведенный выше рецепт работает для тензоров одинакового размера. Однако многие модели (например, модели последовательностей) работают с входными данными, которые могут иметь различный размер (например, последовательности разной длины). Чтобы справиться с этим случаем, преобразование Dataset.padded_batch позволяет вам группировать тензоры различной формы, указав одно или несколько измерений, в которых они могут быть дополнены.

dataset = tf.data.Dataset.range(100)
dataset = dataset.map(lambda x: tf.fill([tf.cast(x, tf.int32)], x))
dataset = dataset.padded_batch(4, padded_shapes=(None,))

for batch in dataset.take(2):
  print(batch.numpy())
  print()
[[0 0 0]
 [1 0 0]
 [2 2 0]
 [3 3 3]]

[[4 4 4 4 0 0 0]
 [5 5 5 5 5 0 0]
 [6 6 6 6 6 6 0]
 [7 7 7 7 7 7 7]]

Преобразование Dataset.padded_batch позволяет вам устанавливать разные отступы для каждого измерения каждого компонента, и оно может быть переменной длины (обозначено None в приведенном выше примере) или постоянной длины. Также можно переопределить значение заполнения, которое по умолчанию равно 0.

Рабочие процессы обучения

Обработка нескольких эпох

API tf.data предлагает два основных способа обработки нескольких эпох одних и тех же данных.

Самый простой способ перебрать набор данных в несколько эпох - использовать преобразование Dataset.repeat() . Сначала создайте набор титанических данных:

titanic_file = tf.keras.utils.get_file("train.csv", "https://storage.googleapis.com/tf-datasets/titanic/train.csv")
titanic_lines = tf.data.TextLineDataset(titanic_file)
def plot_batch_sizes(ds):
  batch_sizes = [batch.shape[0] for batch in ds]
  plt.bar(range(len(batch_sizes)), batch_sizes)
  plt.xlabel('Batch number')
  plt.ylabel('Batch size')

При применении преобразования Dataset.repeat() без аргументов ввод будет повторяться бесконечно.

Преобразование Dataset.repeat объединяет свои аргументы, не сигнализируя о конце одной эпохи и начале следующей эпохи. Из-за этого Dataset.batch примененный после Dataset.repeat , даст пакеты, которые Dataset.repeat границы эпох:

titanic_batches = titanic_lines.repeat(3).batch(128)
plot_batch_sizes(titanic_batches)

PNG

Если вам нужно четкое разделение эпох, поместите Dataset.batch перед повтором:

titanic_batches = titanic_lines.batch(128).repeat(3)

plot_batch_sizes(titanic_batches)

PNG

Если вы хотите выполнить пользовательское вычисление (например, для сбора статистики) в конце каждой эпохи, то проще всего перезапустить итерацию набора данных в каждую эпоху:

epochs = 3
dataset = titanic_lines.batch(128)

for epoch in range(epochs):
  for batch in dataset:
    print(batch.shape)
  print("End of epoch: ", epoch)
(128,)
(128,)
(128,)
(128,)
(116,)
End of epoch:  0
(128,)
(128,)
(128,)
(128,)
(116,)
End of epoch:  1
(128,)
(128,)
(128,)
(128,)
(116,)
End of epoch:  2

Случайное перемешивание входных данных

Преобразование Dataset.shuffle() поддерживает буфер фиксированного размера и выбирает следующий элемент равномерно случайным образом из этого буфера.

Добавьте индекс в набор данных, чтобы увидеть эффект:

lines = tf.data.TextLineDataset(titanic_file)
counter = tf.data.experimental.Counter()

dataset = tf.data.Dataset.zip((counter, lines))
dataset = dataset.shuffle(buffer_size=100)
dataset = dataset.batch(20)
dataset
<BatchDataset shapes: ((None,), (None,)), types: (tf.int64, tf.string)>

Поскольку buffer_size равен 100, а размер пакета равен 20, первый пакет не содержит элементов с индексом более 120.

n,line_batch = next(iter(dataset))
print(n.numpy())
[ 39   5  30  77  45 104 102  54  31  89  93  29  38  85  60   9  78  76
   1  41]

Как и в случае с Dataset.batch порядок относительно Dataset.repeat имеет значение.

Dataset.shuffle не сигнализирует об окончании эпохи, пока буфер перемешивания не станет пустым. Таким образом, перемешивание, помещенное перед повтором, будет показывать каждый элемент одной эпохи перед переходом к следующей:

dataset = tf.data.Dataset.zip((counter, lines))
shuffled = dataset.shuffle(buffer_size=100).batch(10).repeat(2)

print("Here are the item ID's near the epoch boundary:\n")
for n, line_batch in shuffled.skip(60).take(5):
  print(n.numpy())
Here are the item ID's near the epoch boundary:

[618 522 447 528 576 514 626 610 502 404]
[601 577 586 560 490 469 604 275 551 561]
[567 550 423 486 544 457 578 448]
[85 78 32 73 45 99 37 94 13 54]
[101  55   4 109  41  25  80 106   9 113]
shuffle_repeat = [n.numpy().mean() for n, line_batch in shuffled]
plt.plot(shuffle_repeat, label="shuffle().repeat()")
plt.ylabel("Mean item ID")
plt.legend()
<matplotlib.legend.Legend at 0x7fe00c013690>

PNG

Но повтор перед перемешиванием смешивает границы эпох:

dataset = tf.data.Dataset.zip((counter, lines))
shuffled = dataset.repeat(2).shuffle(buffer_size=100).batch(10)

print("Here are the item ID's near the epoch boundary:\n")
for n, line_batch in shuffled.skip(55).take(15):
  print(n.numpy())
Here are the item ID's near the epoch boundary:

[611 401 577 625   2 557 585   6 618 502]
[ 31 607 588  24   0 627 455 613 547 605]
[537 544 240  15  43 555 621  34 590   8]
[ 27 475 528 546 560  48  53 489  54  37]
[599 561  30 570  21 499 586  10   5  12]
[367  60 568 525   1 619 589  23 548  35]
[ 17 470 616  42 569  83  70 405  46 463]
[ 50  72 612 623  28 522 581  86  77  76]
[474 598 609  25  65 491 543  97 536  93]
[ 16 101  58  90  19  38 111 615 119  49]
[ 39 110  75  95 122  94   4  67  64  51]
[ 22 606 610  99 601 526 116 571  80 109]
[ 29  32 125 138 608  33 139 106 147 127]
[130 114 117  18  59  79  66 123 124 155]
[103 579 100 107 165 115  92  84   3  52]
repeat_shuffle = [n.numpy().mean() for n, line_batch in shuffled]

plt.plot(shuffle_repeat, label="shuffle().repeat()")
plt.plot(repeat_shuffle, label="repeat().shuffle()")
plt.ylabel("Mean item ID")
plt.legend()
<matplotlib.legend.Legend at 0x7fe004095b50>

PNG

Предварительная обработка данных

Преобразование Dataset.map(f) создает новый набор данных, применяя заданную функцию f к каждому элементу входного набора данных. Он основан на функции map() которая обычно применяется к спискам (и другим структурам) в языках функционального программирования. Функция f принимает объекты tf.Tensor которые представляют один элемент на входе, и возвращает объекты tf.Tensor которые будут представлять один элемент в новом наборе данных. Его реализация использует стандартные операции TensorFlow для преобразования одного элемента в другой.

В этом разделе приведены общие примеры использования Dataset.map() .

Расшифровка данных изображения и изменение их размера

При обучении нейронной сети на реальных данных изображения часто бывает необходимо преобразовать изображения разных размеров в общий размер, чтобы их можно было объединить в фиксированный размер.

Восстановите набор данных с именами файлов цветов:

list_ds = tf.data.Dataset.list_files(str(flowers_root/'*/*'))

Напишите функцию, которая манипулирует элементами набора данных.

# Reads an image from a file, decodes it into a dense tensor, and resizes it
# to a fixed shape.
def parse_image(filename):
  parts = tf.strings.split(filename, os.sep)
  label = parts[-2]

  image = tf.io.read_file(filename)
  image = tf.image.decode_jpeg(image)
  image = tf.image.convert_image_dtype(image, tf.float32)
  image = tf.image.resize(image, [128, 128])
  return image, label

Проверьте, что это работает.

file_path = next(iter(list_ds))
image, label = parse_image(file_path)

def show(image, label):
  plt.figure()
  plt.imshow(image)
  plt.title(label.numpy().decode('utf-8'))
  plt.axis('off')

show(image, label)

PNG

Сопоставьте его с набором данных.

images_ds = list_ds.map(parse_image)

for image, label in images_ds.take(2):
  show(image, label)

PNG

PNG

Применение произвольной логики Python

По соображениям производительности по возможности используйте операции TensorFlow для предварительной обработки данных. Однако иногда бывает полезно вызывать внешние библиотеки Python при анализе ваших входных данных. Вы можете использовать tf.py_function() операции в Dataset.map() преобразования.

Например, если вы хотите применить случайное вращение, то tf.image модуль имеет только tf.image.rot90 , что не очень полезно для увеличения изображения.

Чтобы продемонстрировать tf.py_function , попробуйте вместо этого использовать функцию scipy.ndimage.rotate :

import scipy.ndimage as ndimage

def random_rotate_image(image):
  image = ndimage.rotate(image, np.random.uniform(-30, 30), reshape=False)
  return image
image, label = next(iter(images_ds))
image = random_rotate_image(image)
show(image, label)
Clipping input data to the valid range for imshow with RGB data ([0..1] for floats or [0..255] for integers).

PNG

Чтобы использовать эту функцию с Dataset.map те же предостережения, что и с Dataset.from_generator , вам необходимо описать возвращаемые формы и типы при применении функции:

def tf_random_rotate_image(image, label):
  im_shape = image.shape
  [image,] = tf.py_function(random_rotate_image, [image], [tf.float32])
  image.set_shape(im_shape)
  return image, label
rot_ds = images_ds.map(tf_random_rotate_image)

for image, label in rot_ds.take(2):
  show(image, label)
Clipping input data to the valid range for imshow with RGB data ([0..1] for floats or [0..255] for integers).
Clipping input data to the valid range for imshow with RGB data ([0..1] for floats or [0..255] for integers).

PNG

PNG

Разбор tf.Example сообщений буфера протокола

Многие входные конвейеры извлекают сообщения буфера протокола tf.train.Example из формата TFRecord. Каждая запись tf.train.Example содержит одну или несколько «функций», и входной конвейер обычно преобразует эти функции в тензоры.

fsns_test_file = tf.keras.utils.get_file("fsns.tfrec", "https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/fsns-20160927/testdata/fsns-00000-of-00001")
dataset = tf.data.TFRecordDataset(filenames = [fsns_test_file])
dataset
<TFRecordDatasetV2 shapes: (), types: tf.string>

Вы можете работать с tf.train.Example protos внеtf.data.Dataset чтобы понять данные:

raw_example = next(iter(dataset))
parsed = tf.train.Example.FromString(raw_example.numpy())

feature = parsed.features.feature
raw_img = feature['image/encoded'].bytes_list.value[0]
img = tf.image.decode_png(raw_img)
plt.imshow(img)
plt.axis('off')
_ = plt.title(feature["image/text"].bytes_list.value[0])

PNG

raw_example = next(iter(dataset))
def tf_parse(eg):
  example = tf.io.parse_example(
      eg[tf.newaxis], {
          'image/encoded': tf.io.FixedLenFeature(shape=(), dtype=tf.string),
          'image/text': tf.io.FixedLenFeature(shape=(), dtype=tf.string)
      })
  return example['image/encoded'][0], example['image/text'][0]
img, txt = tf_parse(raw_example)
print(txt.numpy())
print(repr(img.numpy()[:20]), "...")
b'Rue Perreyon'
b'\x89PNG\r\n\x1a\n\x00\x00\x00\rIHDR\x00\x00\x02X' ...
decoded = dataset.map(tf_parse)
decoded
<MapDataset shapes: ((), ()), types: (tf.string, tf.string)>
image_batch, text_batch = next(iter(decoded.batch(10)))
image_batch.shape
TensorShape([10])

Работа с окнами временных рядов

Пример полного временного ряда см .: Прогнозирование временного ряда .

Данные временных рядов часто организованы без изменения оси времени.

Используйте простой Dataset.range чтобы продемонстрировать:

range_ds = tf.data.Dataset.range(100000)

Как правило, для моделей, основанных на данных такого рода, требуется непрерывный временной интервал.

Самый простой подход - это пакетирование данных:

Использование batch

batches = range_ds.batch(10, drop_remainder=True)

for batch in batches.take(5):
  print(batch.numpy())
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[10 11 12 13 14 15 16 17 18 19]
[20 21 22 23 24 25 26 27 28 29]
[30 31 32 33 34 35 36 37 38 39]
[40 41 42 43 44 45 46 47 48 49]

Или, чтобы делать точные прогнозы на один шаг в будущее, вы можете сдвинуть признаки и метки на один шаг относительно друг друга:

def dense_1_step(batch):
  # Shift features and labels one step relative to each other.
  return batch[:-1], batch[1:]

predict_dense_1_step = batches.map(dense_1_step)

for features, label in predict_dense_1_step.take(3):
  print(features.numpy(), " => ", label.numpy())
[0 1 2 3 4 5 6 7 8]  =>  [1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[10 11 12 13 14 15 16 17 18]  =>  [11 12 13 14 15 16 17 18 19]
[20 21 22 23 24 25 26 27 28]  =>  [21 22 23 24 25 26 27 28 29]

Чтобы спрогнозировать все окно вместо фиксированного смещения, вы можете разделить партии на две части:

batches = range_ds.batch(15, drop_remainder=True)

def label_next_5_steps(batch):
  return (batch[:-5],   # Inputs: All except the last 5 steps
          batch[-5:])   # Labels: The last 5 steps

predict_5_steps = batches.map(label_next_5_steps)

for features, label in predict_5_steps.take(3):
  print(features.numpy(), " => ", label.numpy())
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]  =>  [10 11 12 13 14]
[15 16 17 18 19 20 21 22 23 24]  =>  [25 26 27 28 29]
[30 31 32 33 34 35 36 37 38 39]  =>  [40 41 42 43 44]

Чтобы обеспечить некоторое перекрытие между функциями одного пакета и метками другого, используйте Dataset.zip :

feature_length = 10
label_length = 3

features = range_ds.batch(feature_length, drop_remainder=True)
labels = range_ds.batch(feature_length).skip(1).map(lambda labels: labels[:label_length])

predicted_steps = tf.data.Dataset.zip((features, labels))

for features, label in predicted_steps.take(5):
  print(features.numpy(), " => ", label.numpy())
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]  =>  [10 11 12]
[10 11 12 13 14 15 16 17 18 19]  =>  [20 21 22]
[20 21 22 23 24 25 26 27 28 29]  =>  [30 31 32]
[30 31 32 33 34 35 36 37 38 39]  =>  [40 41 42]
[40 41 42 43 44 45 46 47 48 49]  =>  [50 51 52]

Использование window

Хотя использование Dataset.batch работает, бывают ситуации, когда вам может потребоваться более Dataset.batch контроль. Метод Dataset.window дает вам полный контроль, но требует некоторой осторожности: он возвращает Dataset Datasets . См. Подробности в структуре набора данных.

window_size = 5

windows = range_ds.window(window_size, shift=1)
for sub_ds in windows.take(5):
  print(sub_ds)
<_VariantDataset shapes: (), types: tf.int64>
<_VariantDataset shapes: (), types: tf.int64>
<_VariantDataset shapes: (), types: tf.int64>
<_VariantDataset shapes: (), types: tf.int64>
<_VariantDataset shapes: (), types: tf.int64>

Метод Dataset.flat_map может взять набор данных наборов данных и объединить его в один набор данных:

for x in windows.flat_map(lambda x: x).take(30):
   print(x.numpy(), end=' ')
0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6 3 4 5 6 7 4 5 6 7 8 5 6 7 8 9

Практически во всех случаях вы захотите .batch выполнить .batch набора данных:

def sub_to_batch(sub):
  return sub.batch(window_size, drop_remainder=True)

for example in windows.flat_map(sub_to_batch).take(5):
  print(example.numpy())
[0 1 2 3 4]
[1 2 3 4 5]
[2 3 4 5 6]
[3 4 5 6 7]
[4 5 6 7 8]

Теперь вы можете видеть, что аргумент shift контролирует, насколько каждое окно перемещается.

Собрав все это вместе, вы можете написать такую ​​функцию:

def make_window_dataset(ds, window_size=5, shift=1, stride=1):
  windows = ds.window(window_size, shift=shift, stride=stride)

  def sub_to_batch(sub):
    return sub.batch(window_size, drop_remainder=True)

  windows = windows.flat_map(sub_to_batch)
  return windows
ds = make_window_dataset(range_ds, window_size=10, shift = 5, stride=3)

for example in ds.take(10):
  print(example.numpy())
[ 0  3  6  9 12 15 18 21 24 27]
[ 5  8 11 14 17 20 23 26 29 32]
[10 13 16 19 22 25 28 31 34 37]
[15 18 21 24 27 30 33 36 39 42]
[20 23 26 29 32 35 38 41 44 47]
[25 28 31 34 37 40 43 46 49 52]
[30 33 36 39 42 45 48 51 54 57]
[35 38 41 44 47 50 53 56 59 62]
[40 43 46 49 52 55 58 61 64 67]
[45 48 51 54 57 60 63 66 69 72]

Тогда метки легко извлечь, как и раньше:

dense_labels_ds = ds.map(dense_1_step)

for inputs,labels in dense_labels_ds.take(3):
  print(inputs.numpy(), "=>", labels.numpy())
[ 0  3  6  9 12 15 18 21 24] => [ 3  6  9 12 15 18 21 24 27]
[ 5  8 11 14 17 20 23 26 29] => [ 8 11 14 17 20 23 26 29 32]
[10 13 16 19 22 25 28 31 34] => [13 16 19 22 25 28 31 34 37]

Повторная выборка

При работе с набором данных, который очень несбалансирован по классам, может потребоваться повторная выборка набора данных. tf.data предоставляет для этого два метода. Набор данных о мошенничестве с кредитными картами - хороший пример такого рода проблем.

zip_path = tf.keras.utils.get_file(
    origin='https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/creditcard.zip',
    fname='creditcard.zip',
    extract=True)

csv_path = zip_path.replace('.zip', '.csv')
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/creditcard.zip
69156864/69155632 [==============================] - 2s 0us/step
creditcard_ds = tf.data.experimental.make_csv_dataset(
    csv_path, batch_size=1024, label_name="Class",
    # Set the column types: 30 floats and an int.
    column_defaults=[float()]*30+[int()])

Теперь проверьте распределение классов, оно сильно искажено:

def count(counts, batch):
  features, labels = batch
  class_1 = labels == 1
  class_1 = tf.cast(class_1, tf.int32)

  class_0 = labels == 0
  class_0 = tf.cast(class_0, tf.int32)

  counts['class_0'] += tf.reduce_sum(class_0)
  counts['class_1'] += tf.reduce_sum(class_1)

  return counts
counts = creditcard_ds.take(10).reduce(
    initial_state={'class_0': 0, 'class_1': 0},
    reduce_func = count)

counts = np.array([counts['class_0'].numpy(),
                   counts['class_1'].numpy()]).astype(np.float32)

fractions = counts/counts.sum()
print(fractions)
[0.9961 0.0039]

Распространенный подход к обучению с несбалансированным набором данных - сбалансировать его. tf.data включает несколько методов, обеспечивающих этот рабочий процесс:

Выборка наборов данных

Один из подходов к повторной sample_from_datasets набора данных - использовать sample_from_datasets . Это более применимо, когда у вас есть отдельныйdata.Dataset для каждого класса.

Здесь просто используйте фильтр, чтобы сгенерировать их из данных о мошенничестве с кредитными картами:

negative_ds = (
  creditcard_ds
    .unbatch()
    .filter(lambda features, label: label==0)
    .repeat())
positive_ds = (
  creditcard_ds
    .unbatch()
    .filter(lambda features, label: label==1)
    .repeat())
for features, label in positive_ds.batch(10).take(1):
  print(label.numpy())
[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]

Чтобы использовать tf.data.experimental.sample_from_datasets передайте наборы данных и вес для каждого:

balanced_ds = tf.data.experimental.sample_from_datasets(
    [negative_ds, positive_ds], [0.5, 0.5]).batch(10)

Теперь набор данных дает примеры каждого класса с вероятностью 50/50:

for features, labels in balanced_ds.take(10):
  print(labels.numpy())
[1 1 1 0 1 0 1 1 0 1]
[1 1 1 0 0 1 0 0 0 0]
[0 1 1 1 1 1 1 1 0 0]
[0 0 1 0 0 0 1 0 0 0]
[0 1 0 0 1 0 1 1 0 1]
[1 0 0 0 0 1 1 1 0 1]
[0 0 0 1 1 0 0 1 0 1]
[1 0 0 1 1 0 0 1 1 0]
[0 0 1 0 0 0 0 1 0 0]
[1 1 1 1 0 0 1 1 1 0]

Отклонение передискретизации

Одна из проблем , с выше experimental.sample_from_datasets подхода заключается в том, что она требует отдельногоtf.data.Dataset каждого класса. Использование Dataset.filter работает, но в результате все данные загружаются дважды.

data.experimental.rejection_resample можно применить к набору данных, чтобы сбалансировать его, при этом загружая его только один раз. Элементы будут удалены из набора данных для достижения баланса.

data.experimental.rejection_resample принимает аргумент class_func . Эта class_func применяется к каждому элементу набора данных и используется для определения того, к какому классу принадлежит пример, в целях балансировки.

Элементы creditcard_ds уже являются парами (features, label) . Таким образом, class_func просто нужно вернуть эти метки:

def class_func(features, label):
  return label

Ресамплер также нуждается в целевом распределении и, возможно, в первоначальной оценке распределения:

resampler = tf.data.experimental.rejection_resample(
    class_func, target_dist=[0.5, 0.5], initial_dist=fractions)

Ресамплер работает с отдельными примерами, поэтому перед применением unbatch вы должны unbatch набор данных:

resample_ds = creditcard_ds.unbatch().apply(resampler).batch(10)
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/data/experimental/ops/resampling.py:156: Print (from tensorflow.python.ops.logging_ops) is deprecated and will be removed after 2018-08-20.
Instructions for updating:
Use tf.print instead of tf.Print. Note that tf.print returns a no-output operator that directly prints the output. Outside of defuns or eager mode, this operator will not be executed unless it is directly specified in session.run or used as a control dependency for other operators. This is only a concern in graph mode. Below is an example of how to ensure tf.print executes in graph mode:

Resampler возвращает пары (class, example) из вывода class_func . В этом случае example уже был парой (feature, label) , поэтому используйте map чтобы удалить дополнительную копию меток:

balanced_ds = resample_ds.map(lambda extra_label, features_and_label: features_and_label)

Теперь набор данных дает примеры каждого класса с вероятностью 50/50:

for features, labels in balanced_ds.take(10):
  print(labels.numpy())
[1 0 0 0 1 0 1 1 0 0]
[1 1 0 0 0 1 0 0 0 0]
[1 1 1 1 0 0 0 0 0 1]
[1 0 0 1 0 1 1 1 1 1]
[1 0 1 0 1 1 0 0 1 1]
[1 1 0 1 0 1 0 0 0 0]
[0 0 0 1 1 1 0 1 1 1]
[1 0 0 0 1 0 0 0 0 1]
[1 1 0 1 0 0 1 0 1 0]
[0 1 1 1 0 1 0 1 1 1]

Контрольные точки итератора

Tensorflow поддерживает выполнение контрольных точек, чтобы при перезапуске тренировочного процесса он мог восстановить последнюю контрольную точку для восстановления большей части своего прогресса. В дополнение к контрольным точкам переменных модели вы также можете проверять ход выполнения итератора набора данных. Это может быть полезно, если у вас большой набор данных и вы не хотите запускать набор данных с самого начала при каждом перезапуске. Однако обратите внимание, что контрольные точки итератора могут быть большими, поскольку преобразования, такие как shuffle и prefetch требуют элементов буферизации внутри итератора.

Чтобы включить итератор в контрольную точку, передайте итератор конструктору tf.train.Checkpoint .

range_ds = tf.data.Dataset.range(20)

iterator = iter(range_ds)
ckpt = tf.train.Checkpoint(step=tf.Variable(0), iterator=iterator)
manager = tf.train.CheckpointManager(ckpt, '/tmp/my_ckpt', max_to_keep=3)

print([next(iterator).numpy() for _ in range(5)])

save_path = manager.save()

print([next(iterator).numpy() for _ in range(5)])

ckpt.restore(manager.latest_checkpoint)

print([next(iterator).numpy() for _ in range(5)])
[0, 1, 2, 3, 4]
[5, 6, 7, 8, 9]
[5, 6, 7, 8, 9]

Использование tf.data с tf.keras

API tf.keras упрощает многие аспекты создания и выполнения моделей машинного обучения. Его .fit() и .evaluate() и .predict() поддерживают наборы данных в качестве входных данных. Вот быстрый набор данных и настройка модели:

train, test = tf.keras.datasets.fashion_mnist.load_data()

images, labels = train
images = images/255.0
labels = labels.astype(np.int32)
fmnist_train_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((images, labels))
fmnist_train_ds = fmnist_train_ds.shuffle(5000).batch(32)

model = tf.keras.Sequential([
  tf.keras.layers.Flatten(),
  tf.keras.layers.Dense(10)
])

model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True), 
              metrics=['accuracy'])

Передача набора данных пар (feature, label) - это все, что необходимо для Model.fit и Model.evaluate :

model.fit(fmnist_train_ds, epochs=2)
Epoch 1/2
1875/1875 [==============================] - 3s 1ms/step - loss: 0.5999 - accuracy: 0.7962
Epoch 2/2
1875/1875 [==============================] - 3s 1ms/step - loss: 0.4618 - accuracy: 0.8428
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fdffe98bd10>

Если вы передаете бесконечный набор данных, например, вызывая Dataset.repeat() , вам просто нужно также передать аргумент steps_per_epoch :

model.fit(fmnist_train_ds.repeat(), epochs=2, steps_per_epoch=20)
Epoch 1/2
20/20 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.3764 - accuracy: 0.8656
Epoch 2/2
20/20 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.4980 - accuracy: 0.8406
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fe00c129050>

Для оценки вы можете пройти несколько этапов оценки:

loss, accuracy = model.evaluate(fmnist_train_ds)
print("Loss :", loss)
print("Accuracy :", accuracy)
1875/1875 [==============================] - 2s 951us/step - loss: 0.4384 - accuracy: 0.8501
Loss : 0.4384005665779114
Accuracy : 0.8500999808311462

Для длинных наборов данных установите количество шагов для оценки:

loss, accuracy = model.evaluate(fmnist_train_ds.repeat(), steps=10)
print("Loss :", loss)
print("Accuracy :", accuracy)
10/10 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.4299 - accuracy: 0.8625
Loss : 0.4299231171607971
Accuracy : 0.862500011920929

При вызове Model.predict метки не требуются.

predict_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(images).batch(32)
result = model.predict(predict_ds, steps = 10)
print(result.shape)
(320, 10)

Но метки игнорируются, если вы передаете набор данных, содержащий их:

result = model.predict(fmnist_train_ds, steps = 10)
print(result.shape)
(320, 10)