Personalize o que acontece em Model.fit

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Introdução

Quando você está fazendo aprendizado supervisionado, você pode usar fit() e tudo funciona sem problemas.

Quando você precisa para escrever seu próprio loop de formação a partir do zero, você pode usar o GradientTape e assumir o controle de cada pequeno detalhe.

Mas e se você precisa de um algoritmo de treinamento personalizado, mas você ainda quer beneficiar das características convenientes de fit() , tais como chamadas de retorno, suporte embutido de distribuição, ou passo de fusão?

Um princípio básico é de Keras divulgação progressiva de complexidade. Você sempre deve conseguir entrar em fluxos de trabalho de nível inferior de maneira gradual. Você não deve cair de um penhasco se a funcionalidade de alto nível não corresponder exatamente ao seu caso de uso. Você deve ser capaz de obter mais controle sobre os pequenos detalhes, mantendo uma quantidade proporcional de conveniência de alto nível.

Quando você precisa para personalizar o que fit() faz, você deve substituir a função etapa de treinamento do Model de classe. Esta é a função que é chamado pelo fit() para cada lote de dados. Você então será capaz de chamada fit() , como de costume - e será executar o seu próprio algoritmo de aprendizagem.

Observe que esse padrão não o impede de construir modelos com a API Funcional. Você pode fazer isso se você está construindo Sequential modelos, modelos API funcionais, ou modelos subclasse.

Vamos ver como isso funciona.

Configurar

Requer TensorFlow 2.2 ou posterior.

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras

Um primeiro exemplo simples

Vamos começar com um exemplo simples:

  • Nós criamos uma nova classe que subclasses keras.Model .
  • Nós apenas substituir o método train_step(self, data) .
  • Retornamos nomes de métricas de mapeamento de dicionário (incluindo a perda) para seu valor atual.

O argumento de entrada data é o que é passado para caber como dados de treinamento:

  • Se você passar matrizes Numpy, chamando fit(x, y, ...) , então data será o tuple (x, y)
  • Se você passar um tf.data.Dataset , chamando fit(dataset, ...) , em seguida, data serão o que é produzido pelo dataset em cada lote.

No corpo do train_step método, vamos implementar uma atualização de formação regular, semelhante ao que você já está familiarizado. Importante, nós calcular a perda através self.compiled_loss , que envolve a perda de função (es) (s) que foram passados para compile() .

Da mesma forma, chamamos self.compiled_metrics.update_state(y, y_pred) para atualizar o estado das métricas que foram passados na compile() , e consulta os resultados de self.metrics no final para recuperar o seu valor atual.

class CustomModel(keras.Model):
    def train_step(self, data):
        # Unpack the data. Its structure depends on your model and
        # on what you pass to `fit()`.
        x, y = data

        with tf.GradientTape() as tape:
            y_pred = self(x, training=True)  # Forward pass
            # Compute the loss value
            # (the loss function is configured in `compile()`)
            loss = self.compiled_loss(y, y_pred, regularization_losses=self.losses)

        # Compute gradients
        trainable_vars = self.trainable_variables
        gradients = tape.gradient(loss, trainable_vars)
        # Update weights
        self.optimizer.apply_gradients(zip(gradients, trainable_vars))
        # Update metrics (includes the metric that tracks the loss)
        self.compiled_metrics.update_state(y, y_pred)
        # Return a dict mapping metric names to current value
        return {m.name: m.result() for m in self.metrics}

Vamos experimentar:

import numpy as np

# Construct and compile an instance of CustomModel
inputs = keras.Input(shape=(32,))
outputs = keras.layers.Dense(1)(inputs)
model = CustomModel(inputs, outputs)
model.compile(optimizer="adam", loss="mse", metrics=["mae"])

# Just use `fit` as usual
x = np.random.random((1000, 32))
y = np.random.random((1000, 1))
model.fit(x, y, epochs=3)
Epoch 1/3
32/32 [==============================] - 1s 2ms/step - loss: 0.9909 - mae: 0.8601
Epoch 2/3
32/32 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.4363 - mae: 0.5345
Epoch 3/3
32/32 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.2906 - mae: 0.4311
<keras.callbacks.History at 0x7f5ad1ca1090>

Indo de nível inferior

Naturalmente, você poderia simplesmente ignorar passando uma função perda de compile() e, em vez fazer tudo manualmente em train_step . Da mesma forma para métricas.

Aqui está um exemplo de nível inferior, que só usa compile() para configurar o otimizador:

  • Começamos criando Metric instâncias para acompanhar a nossa perda e uma pontuação MAE.
  • Implementamos um costume train_step() que atualiza o estado dessas métricas (chamando update_state() sobre eles), então consultá-los (via result() ) para retornar o seu valor médio atual, a ser exibido pela barra de progresso e de ser passar para qualquer retorno de chamada.
  • Note-se que seria preciso chamar reset_states() sobre nossas métricas entre cada época! Caso contrário chamando result() retornaria uma média desde o início da formação, enquanto que normalmente trabalho com médias per-época. Felizmente, o quadro pode fazer isso por nós: basta listar qualquer métrica que você deseja redefinir na metrics propriedade do modelo. O modelo vai chamar reset_states() em qualquer objeto listado aqui no início de cada fit() época ou no início de uma chamada para evaluate() .
loss_tracker = keras.metrics.Mean(name="loss")
mae_metric = keras.metrics.MeanAbsoluteError(name="mae")


class CustomModel(keras.Model):
    def train_step(self, data):
        x, y = data

        with tf.GradientTape() as tape:
            y_pred = self(x, training=True)  # Forward pass
            # Compute our own loss
            loss = keras.losses.mean_squared_error(y, y_pred)

        # Compute gradients
        trainable_vars = self.trainable_variables
        gradients = tape.gradient(loss, trainable_vars)

        # Update weights
        self.optimizer.apply_gradients(zip(gradients, trainable_vars))

        # Compute our own metrics
        loss_tracker.update_state(loss)
        mae_metric.update_state(y, y_pred)
        return {"loss": loss_tracker.result(), "mae": mae_metric.result()}

    @property
    def metrics(self):
        # We list our `Metric` objects here so that `reset_states()` can be
        # called automatically at the start of each epoch
        # or at the start of `evaluate()`.
        # If you don't implement this property, you have to call
        # `reset_states()` yourself at the time of your choosing.
        return [loss_tracker, mae_metric]


# Construct an instance of CustomModel
inputs = keras.Input(shape=(32,))
outputs = keras.layers.Dense(1)(inputs)
model = CustomModel(inputs, outputs)

# We don't passs a loss or metrics here.
model.compile(optimizer="adam")

# Just use `fit` as usual -- you can use callbacks, etc.
x = np.random.random((1000, 32))
y = np.random.random((1000, 1))
model.fit(x, y, epochs=5)
Epoch 1/5
32/32 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 1.5969 - mae: 1.1523
Epoch 2/5
32/32 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.7352 - mae: 0.7310
Epoch 3/5
32/32 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.3830 - mae: 0.4999
Epoch 4/5
32/32 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.2809 - mae: 0.4215
Epoch 5/5
32/32 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 0.2590 - mae: 0.4058
<keras.callbacks.History at 0x7f5ad1b62c50>

Apoiar sample_weight & class_weight

Você deve ter notado que nosso primeiro exemplo básico não fez nenhuma menção à ponderação da amostra. Se você quiser apoiar o fit() argumentos sample_weight e class_weight , você simplesmente faça o seguinte:

  • Descompacte sample_weight do data argumento
  • Passá-lo para compiled_loss & compiled_metrics (claro, você também pode simplesmente aplicá-lo manualmente, se você não confiar na compile() por perdas e métricas)
  • É isso. Essa é a lista.
class CustomModel(keras.Model):
    def train_step(self, data):
        # Unpack the data. Its structure depends on your model and
        # on what you pass to `fit()`.
        if len(data) == 3:
            x, y, sample_weight = data
        else:
            sample_weight = None
            x, y = data

        with tf.GradientTape() as tape:
            y_pred = self(x, training=True)  # Forward pass
            # Compute the loss value.
            # The loss function is configured in `compile()`.
            loss = self.compiled_loss(
                y,
                y_pred,
                sample_weight=sample_weight,
                regularization_losses=self.losses,
            )

        # Compute gradients
        trainable_vars = self.trainable_variables
        gradients = tape.gradient(loss, trainable_vars)

        # Update weights
        self.optimizer.apply_gradients(zip(gradients, trainable_vars))

        # Update the metrics.
        # Metrics are configured in `compile()`.
        self.compiled_metrics.update_state(y, y_pred, sample_weight=sample_weight)

        # Return a dict mapping metric names to current value.
        # Note that it will include the loss (tracked in self.metrics).
        return {m.name: m.result() for m in self.metrics}


# Construct and compile an instance of CustomModel
inputs = keras.Input(shape=(32,))
outputs = keras.layers.Dense(1)(inputs)
model = CustomModel(inputs, outputs)
model.compile(optimizer="adam", loss="mse", metrics=["mae"])

# You can now use sample_weight argument
x = np.random.random((1000, 32))
y = np.random.random((1000, 1))
sw = np.random.random((1000, 1))
model.fit(x, y, sample_weight=sw, epochs=3)
Epoch 1/3
32/32 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.1365 - mae: 0.4196
Epoch 2/3
32/32 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.1285 - mae: 0.4068
Epoch 3/3
32/32 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.1212 - mae: 0.3971
<keras.callbacks.History at 0x7f5ad1ba64d0>

Fornecendo sua própria etapa de avaliação

E se você quiser fazer o mesmo para as chamadas para model.evaluate() ? Então você teria que substituir test_step exatamente da mesma maneira. Esta é a aparência:

class CustomModel(keras.Model):
    def test_step(self, data):
        # Unpack the data
        x, y = data
        # Compute predictions
        y_pred = self(x, training=False)
        # Updates the metrics tracking the loss
        self.compiled_loss(y, y_pred, regularization_losses=self.losses)
        # Update the metrics.
        self.compiled_metrics.update_state(y, y_pred)
        # Return a dict mapping metric names to current value.
        # Note that it will include the loss (tracked in self.metrics).
        return {m.name: m.result() for m in self.metrics}


# Construct an instance of CustomModel
inputs = keras.Input(shape=(32,))
outputs = keras.layers.Dense(1)(inputs)
model = CustomModel(inputs, outputs)
model.compile(loss="mse", metrics=["mae"])

# Evaluate with our custom test_step
x = np.random.random((1000, 32))
y = np.random.random((1000, 1))
model.evaluate(x, y)
32/32 [==============================] - 0s 1ms/step - loss: 2.7584 - mae: 1.5920
[2.758362054824829, 1.59201979637146]

Concluindo: um exemplo de GAN ponta a ponta

Vamos examinar um exemplo de ponta a ponta que aproveita tudo o que você acabou de aprender.

Vamos considerar:

  • Uma rede geradora destinada a gerar imagens 28x28x1.
  • Uma rede discriminadora destinada a classificar imagens 28x28x1 em duas classes ("falsas" e "reais").
  • Um otimizador para cada um.
  • Uma função de perda para treinar o discriminador.
from tensorflow.keras import layers

# Create the discriminator
discriminator = keras.Sequential(
    [
        keras.Input(shape=(28, 28, 1)),
        layers.Conv2D(64, (3, 3), strides=(2, 2), padding="same"),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.Conv2D(128, (3, 3), strides=(2, 2), padding="same"),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.GlobalMaxPooling2D(),
        layers.Dense(1),
    ],
    name="discriminator",
)

# Create the generator
latent_dim = 128
generator = keras.Sequential(
    [
        keras.Input(shape=(latent_dim,)),
        # We want to generate 128 coefficients to reshape into a 7x7x128 map
        layers.Dense(7 * 7 * 128),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.Reshape((7, 7, 128)),
        layers.Conv2DTranspose(128, (4, 4), strides=(2, 2), padding="same"),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.Conv2DTranspose(128, (4, 4), strides=(2, 2), padding="same"),
        layers.LeakyReLU(alpha=0.2),
        layers.Conv2D(1, (7, 7), padding="same", activation="sigmoid"),
    ],
    name="generator",
)

Aqui está uma classe GAN recurso completo, substituindo compile() para usar a sua própria assinatura e implementação de todo o algoritmo de GAN em 17 linhas em train_step :

class GAN(keras.Model):
    def __init__(self, discriminator, generator, latent_dim):
        super(GAN, self).__init__()
        self.discriminator = discriminator
        self.generator = generator
        self.latent_dim = latent_dim

    def compile(self, d_optimizer, g_optimizer, loss_fn):
        super(GAN, self).compile()
        self.d_optimizer = d_optimizer
        self.g_optimizer = g_optimizer
        self.loss_fn = loss_fn

    def train_step(self, real_images):
        if isinstance(real_images, tuple):
            real_images = real_images[0]
        # Sample random points in the latent space
        batch_size = tf.shape(real_images)[0]
        random_latent_vectors = tf.random.normal(shape=(batch_size, self.latent_dim))

        # Decode them to fake images
        generated_images = self.generator(random_latent_vectors)

        # Combine them with real images
        combined_images = tf.concat([generated_images, real_images], axis=0)

        # Assemble labels discriminating real from fake images
        labels = tf.concat(
            [tf.ones((batch_size, 1)), tf.zeros((batch_size, 1))], axis=0
        )
        # Add random noise to the labels - important trick!
        labels += 0.05 * tf.random.uniform(tf.shape(labels))

        # Train the discriminator
        with tf.GradientTape() as tape:
            predictions = self.discriminator(combined_images)
            d_loss = self.loss_fn(labels, predictions)
        grads = tape.gradient(d_loss, self.discriminator.trainable_weights)
        self.d_optimizer.apply_gradients(
            zip(grads, self.discriminator.trainable_weights)
        )

        # Sample random points in the latent space
        random_latent_vectors = tf.random.normal(shape=(batch_size, self.latent_dim))

        # Assemble labels that say "all real images"
        misleading_labels = tf.zeros((batch_size, 1))

        # Train the generator (note that we should *not* update the weights
        # of the discriminator)!
        with tf.GradientTape() as tape:
            predictions = self.discriminator(self.generator(random_latent_vectors))
            g_loss = self.loss_fn(misleading_labels, predictions)
        grads = tape.gradient(g_loss, self.generator.trainable_weights)
        self.g_optimizer.apply_gradients(zip(grads, self.generator.trainable_weights))
        return {"d_loss": d_loss, "g_loss": g_loss}

Vamos testá-lo:

# Prepare the dataset. We use both the training & test MNIST digits.
batch_size = 64
(x_train, _), (x_test, _) = keras.datasets.mnist.load_data()
all_digits = np.concatenate([x_train, x_test])
all_digits = all_digits.astype("float32") / 255.0
all_digits = np.reshape(all_digits, (-1, 28, 28, 1))
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(all_digits)
dataset = dataset.shuffle(buffer_size=1024).batch(batch_size)

gan = GAN(discriminator=discriminator, generator=generator, latent_dim=latent_dim)
gan.compile(
    d_optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.0003),
    g_optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.0003),
    loss_fn=keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True),
)

# To limit the execution time, we only train on 100 batches. You can train on
# the entire dataset. You will need about 20 epochs to get nice results.
gan.fit(dataset.take(100), epochs=1)
100/100 [==============================] - 3s 11ms/step - d_loss: 0.4031 - g_loss: 0.9305
<keras.callbacks.History at 0x7f5ad1b37c50>

As ideias por trás do aprendizado profundo são simples, então por que sua implementação deveria ser dolorosa?