Написание обучающего цикла с нуля

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

Настраивать

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import numpy as np

Вступление

Keras обеспечивает подготовку по умолчанию и циклы оценки, fit() и evaluate() . Их использование рассматриваются в направляющей подготовке и оценке с встроенными методами .

Если вы хотите , чтобы настроить алгоритм обучения вашей модели в то же время усиливая удобство fit() (например, обучить ГАН , используя fit() ), вы можете подкласс Model класса и реализовать свой собственный train_step() метод, который вызывается несколько раз во время fit() . Это описано в руководстве пользовательской настройки , что происходит в fit() .

Теперь, если вам нужен очень низкоуровневый контроль над обучением и оценкой, вы должны написать свои собственные циклы обучения и оценки с нуля. Это то, о чем это руководство.

Использование GradientTape : первый пример из конца в конец

Вызов модели Внутри GradientTape Область действие позволяет получить градиенты обучаемого веса слоя по отношению к значению потерь. Используя экземпляр оптимизатора, вы можете использовать эти градиенты , чтобы обновить эти переменные (которые вы можете получить с помощью model.trainable_weights ).

Рассмотрим простую модель MNIST:

inputs = keras.Input(shape=(784,), name="digits")
x1 = layers.Dense(64, activation="relu")(inputs)
x2 = layers.Dense(64, activation="relu")(x1)
outputs = layers.Dense(10, name="predictions")(x2)
model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)

Давайте обучим его, используя мини-пакетный градиент с настраиваемым циклом обучения.

Во-первых, нам понадобится оптимизатор, функция потерь и набор данных:

# Instantiate an optimizer.
optimizer = keras.optimizers.SGD(learning_rate=1e-3)
# Instantiate a loss function.
loss_fn = keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True)

# Prepare the training dataset.
batch_size = 64
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = keras.datasets.mnist.load_data()
x_train = np.reshape(x_train, (-1, 784))
x_test = np.reshape(x_test, (-1, 784))

# Reserve 10,000 samples for validation.
x_val = x_train[-10000:]
y_val = y_train[-10000:]
x_train = x_train[:-10000]
y_train = y_train[:-10000]

# Prepare the training dataset.
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
train_dataset = train_dataset.shuffle(buffer_size=1024).batch(batch_size)

# Prepare the validation dataset.
val_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_val, y_val))
val_dataset = val_dataset.batch(batch_size)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/mnist.npz
11493376/11490434 [==============================] - 1s 0us/step
11501568/11490434 [==============================] - 1s 0us/step

Вот наш цикл обучения:

  • Мы открываем for цикла , который перебирает эпохи
  • Для каждой эпохи, мы открываем for цикла , который выполняет итерацию по набору данных, в пакетах
  • Для каждой партии, мы открываем GradientTape() объем
  • Внутри этой области мы вызываем модель (прямой проход) и вычисляем потери.
  • За пределами области видимости мы извлекаем градиенты весов модели с учетом потерь
  • Наконец, мы используем оптимизатор для обновления весов модели на основе градиентов.
epochs = 2
for epoch in range(epochs):
    print("\nStart of epoch %d" % (epoch,))

    # Iterate over the batches of the dataset.
    for step, (x_batch_train, y_batch_train) in enumerate(train_dataset):

        # Open a GradientTape to record the operations run
        # during the forward pass, which enables auto-differentiation.
        with tf.GradientTape() as tape:

            # Run the forward pass of the layer.
            # The operations that the layer applies
            # to its inputs are going to be recorded
            # on the GradientTape.
            logits = model(x_batch_train, training=True)  # Logits for this minibatch

            # Compute the loss value for this minibatch.
            loss_value = loss_fn(y_batch_train, logits)

        # Use the gradient tape to automatically retrieve
        # the gradients of the trainable variables with respect to the loss.
        grads = tape.gradient(loss_value, model.trainable_weights)

        # Run one step of gradient descent by updating
        # the value of the variables to minimize the loss.
        optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_weights))

        # Log every 200 batches.
        if step % 200 == 0:
            print(
                "Training loss (for one batch) at step %d: %.4f"
                % (step, float(loss_value))
            )
            print("Seen so far: %s samples" % ((step + 1) * batch_size))
Start of epoch 0
Training loss (for one batch) at step 0: 68.7478
Seen so far: 64 samples
Training loss (for one batch) at step 200: 1.9448
Seen so far: 12864 samples
Training loss (for one batch) at step 400: 1.1859
Seen so far: 25664 samples
Training loss (for one batch) at step 600: 0.6914
Seen so far: 38464 samples

Start of epoch 1
Training loss (for one batch) at step 0: 0.9113
Seen so far: 64 samples
Training loss (for one batch) at step 200: 0.9550
Seen so far: 12864 samples
Training loss (for one batch) at step 400: 0.5139
Seen so far: 25664 samples
Training loss (for one batch) at step 600: 0.7227
Seen so far: 38464 samples

Низкоуровневая обработка метрик

Давайте добавим в этот базовый цикл мониторинг метрик.

Вы можете легко повторно использовать встроенные метрики (или пользовательские метрики, которые вы написали) в таких циклах обучения, написанных с нуля. Вот поток:

  • Создайте метрику в начале цикла
  • Вызов metric.update_state() после каждой партии
  • Вызов metric.result() , когда вам нужно отобразить текущее значение метрики
  • Вызов metric.reset_states() , когда вам необходимо очистить состояние метрики (обычно в конце эпохи)

Давайте использовать эти знания для вычисления SparseCategoricalAccuracy данных проверки в конце каждой эпохи:

# Get model
inputs = keras.Input(shape=(784,), name="digits")
x = layers.Dense(64, activation="relu", name="dense_1")(inputs)
x = layers.Dense(64, activation="relu", name="dense_2")(x)
outputs = layers.Dense(10, name="predictions")(x)
model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)

# Instantiate an optimizer to train the model.
optimizer = keras.optimizers.SGD(learning_rate=1e-3)
# Instantiate a loss function.
loss_fn = keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True)

# Prepare the metrics.
train_acc_metric = keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()
val_acc_metric = keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()

Вот наш цикл обучения и оценки:

import time

epochs = 2
for epoch in range(epochs):
    print("\nStart of epoch %d" % (epoch,))
    start_time = time.time()

    # Iterate over the batches of the dataset.
    for step, (x_batch_train, y_batch_train) in enumerate(train_dataset):
        with tf.GradientTape() as tape:
            logits = model(x_batch_train, training=True)
            loss_value = loss_fn(y_batch_train, logits)
        grads = tape.gradient(loss_value, model.trainable_weights)
        optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_weights))

        # Update training metric.
        train_acc_metric.update_state(y_batch_train, logits)

        # Log every 200 batches.
        if step % 200 == 0:
            print(
                "Training loss (for one batch) at step %d: %.4f"
                % (step, float(loss_value))
            )
            print("Seen so far: %d samples" % ((step + 1) * batch_size))

    # Display metrics at the end of each epoch.
    train_acc = train_acc_metric.result()
    print("Training acc over epoch: %.4f" % (float(train_acc),))

    # Reset training metrics at the end of each epoch
    train_acc_metric.reset_states()

    # Run a validation loop at the end of each epoch.
    for x_batch_val, y_batch_val in val_dataset:
        val_logits = model(x_batch_val, training=False)
        # Update val metrics
        val_acc_metric.update_state(y_batch_val, val_logits)
    val_acc = val_acc_metric.result()
    val_acc_metric.reset_states()
    print("Validation acc: %.4f" % (float(val_acc),))
    print("Time taken: %.2fs" % (time.time() - start_time))
Start of epoch 0
Training loss (for one batch) at step 0: 88.9958
Seen so far: 64 samples
Training loss (for one batch) at step 200: 2.2214
Seen so far: 12864 samples
Training loss (for one batch) at step 400: 1.3083
Seen so far: 25664 samples
Training loss (for one batch) at step 600: 0.8282
Seen so far: 38464 samples
Training acc over epoch: 0.7406
Validation acc: 0.8201
Time taken: 6.31s

Start of epoch 1
Training loss (for one batch) at step 0: 0.3276
Seen so far: 64 samples
Training loss (for one batch) at step 200: 0.4819
Seen so far: 12864 samples
Training loss (for one batch) at step 400: 0.5971
Seen so far: 25664 samples
Training loss (for one batch) at step 600: 0.5862
Seen so far: 38464 samples
Training acc over epoch: 0.8474
Validation acc: 0.8676
Time taken: 5.98s

Ускорение-ваш учебный шаг с tf.function

Выполнения по умолчанию в TensorFlow 2 является нетерпеливым исполнением . Таким образом, наш цикл обучения выше выполняется с готовностью.

Это отлично подходит для отладки, но компиляция графов имеет определенное преимущество в производительности. Описание ваших вычислений в виде статического графика позволяет фреймворку применять глобальную оптимизацию производительности. Это невозможно, когда фреймворк вынужден жадно выполнять одну операцию за другой, не зная, что будет дальше.

Вы можете скомпилировать в статический график любую функцию, которая принимает на вход тензоры. Просто добавьте @tf.function декоратора на ней, как это:

@tf.function
def train_step(x, y):
    with tf.GradientTape() as tape:
        logits = model(x, training=True)
        loss_value = loss_fn(y, logits)
    grads = tape.gradient(loss_value, model.trainable_weights)
    optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_weights))
    train_acc_metric.update_state(y, logits)
    return loss_value

Сделаем то же самое с этапом оценки:

@tf.function
def test_step(x, y):
    val_logits = model(x, training=False)
    val_acc_metric.update_state(y, val_logits)

Теперь давайте повторно запустим наш цикл обучения с помощью этого скомпилированного шага обучения:

import time

epochs = 2
for epoch in range(epochs):
    print("\nStart of epoch %d" % (epoch,))
    start_time = time.time()

    # Iterate over the batches of the dataset.
    for step, (x_batch_train, y_batch_train) in enumerate(train_dataset):
        loss_value = train_step(x_batch_train, y_batch_train)

        # Log every 200 batches.
        if step % 200 == 0:
            print(
                "Training loss (for one batch) at step %d: %.4f"
                % (step, float(loss_value))
            )
            print("Seen so far: %d samples" % ((step + 1) * batch_size))

    # Display metrics at the end of each epoch.
    train_acc = train_acc_metric.result()
    print("Training acc over epoch: %.4f" % (float(train_acc),))

    # Reset training metrics at the end of each epoch
    train_acc_metric.reset_states()

    # Run a validation loop at the end of each epoch.
    for x_batch_val, y_batch_val in val_dataset:
        test_step(x_batch_val, y_batch_val)

    val_acc = val_acc_metric.result()
    val_acc_metric.reset_states()
    print("Validation acc: %.4f" % (float(val_acc),))
    print("Time taken: %.2fs" % (time.time() - start_time))
Start of epoch 0
Training loss (for one batch) at step 0: 0.7921
Seen so far: 64 samples
Training loss (for one batch) at step 200: 0.7755
Seen so far: 12864 samples
Training loss (for one batch) at step 400: 0.1564
Seen so far: 25664 samples
Training loss (for one batch) at step 600: 0.3181
Seen so far: 38464 samples
Training acc over epoch: 0.8788
Validation acc: 0.8866
Time taken: 1.59s

Start of epoch 1
Training loss (for one batch) at step 0: 0.5222
Seen so far: 64 samples
Training loss (for one batch) at step 200: 0.4574
Seen so far: 12864 samples
Training loss (for one batch) at step 400: 0.4035
Seen so far: 25664 samples
Training loss (for one batch) at step 600: 0.7561
Seen so far: 38464 samples
Training acc over epoch: 0.8959
Validation acc: 0.9028
Time taken: 1.27s

Намного быстрее, не правда ли?

Низкоуровневая обработка убытков, отслеживаемых моделью

Слои и модель рекурсивны отслеживать любые потери , созданные во время прямого прохода слоев , которые называют self.add_loss(value) . Результирующий список скалярных значений потерь доступны через свойство model.losses в конце переднего прохода.

Если вы хотите использовать эти компоненты потерь, вам следует суммировать их и добавить к основным потерям на этапе обучения.

Рассмотрим этот слой, который создает потерю регуляризации деятельности:

class ActivityRegularizationLayer(layers.Layer):
    def call(self, inputs):
        self.add_loss(1e-2 * tf.reduce_sum(inputs))
        return inputs

Давайте построим действительно простую модель, которая ее использует:

inputs = keras.Input(shape=(784,), name="digits")
x = layers.Dense(64, activation="relu")(inputs)
# Insert activity regularization as a layer
x = ActivityRegularizationLayer()(x)
x = layers.Dense(64, activation="relu")(x)
outputs = layers.Dense(10, name="predictions")(x)

model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)

Вот как теперь должен выглядеть наш тренировочный шаг:

@tf.function
def train_step(x, y):
    with tf.GradientTape() as tape:
        logits = model(x, training=True)
        loss_value = loss_fn(y, logits)
        # Add any extra losses created during the forward pass.
        loss_value += sum(model.losses)
    grads = tape.gradient(loss_value, model.trainable_weights)
    optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_weights))
    train_acc_metric.update_state(y, logits)
    return loss_value

Резюме

Теперь вы знаете все, что нужно знать об использовании встроенных обучающих циклов и написании собственных с нуля.

В заключение, вот простой сквозной пример, который связывает воедино все, что вы узнали в этом руководстве: DCGAN, обученный цифрам MNIST.

Сквозной пример: цикл обучения GAN с нуля

Возможно, вы знакомы с генеративными состязательными сетями (GAN). GAN могут генерировать новые изображения, которые выглядят почти реальными, путем изучения скрытого распределения обучающего набора данных изображений («скрытое пространство» изображений).

GAN состоит из двух частей: модели «генератора», которая сопоставляет точки в скрытом пространстве с точками в пространстве изображений, модель «дискриминатор», классификатор, который может отличить реальные изображения (из набора обучающих данных) от поддельных. изображения (выход генератора сети).

Цикл обучения GAN выглядит так:

1) Обучить дискриминатор. - Образец партии случайных точек в скрытом пространстве. - Превратите точки в поддельные изображения с помощью модели «генератор». - Получите пакет реальных изображений и объедините их с созданными изображениями. - Обучите модель «дискриминатора» классифицировать сгенерированные изображения по сравнению с реальными.

2) Обучить генератор. - Выборка случайных точек в скрытом пространстве. - Превратите точки в фейковые изображения через сеть «генератор». - Получите пакет реальных изображений и объедините их с сгенерированными изображениями. - Обучите «генераторную» модель «обмануть» дискриминатор и классифицировать поддельные изображения как настоящие.

Для гораздо более подробного обзора того , как Gans работ смотрите Deep Learning с Python .

Давайте реализуем этот цикл обучения. Во-первых, создайте дискриминатор, предназначенный для классификации поддельных и настоящих цифр:

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",
)
discriminator.summary()
Model: "discriminator"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
conv2d (Conv2D)              (None, 14, 14, 64)        640       
_________________________________________________________________
leaky_re_lu (LeakyReLU)      (None, 14, 14, 64)        0         
_________________________________________________________________
conv2d_1 (Conv2D)            (None, 7, 7, 128)         73856     
_________________________________________________________________
leaky_re_lu_1 (LeakyReLU)    (None, 7, 7, 128)         0         
_________________________________________________________________
global_max_pooling2d (Global (None, 128)               0         
_________________________________________________________________
dense_4 (Dense)              (None, 1)                 129       
=================================================================
Total params: 74,625
Trainable params: 74,625
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

Тогда давайте создадим сеть генератор, который превращает скрытые векторы в выходах формы (28, 28, 1) (представляющий MNIST цифры):

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",
)

Вот ключевой момент: цикл обучения. Как видите, это довольно просто. Функция обучающего шага занимает всего 17 строк.

# Instantiate one optimizer for the discriminator and another for the generator.
d_optimizer = keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.0003)
g_optimizer = keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.0004)

# Instantiate a loss function.
loss_fn = keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True)


@tf.function
def train_step(real_images):
    # Sample random points in the latent space
    random_latent_vectors = tf.random.normal(shape=(batch_size, latent_dim))
    # Decode them to fake images
    generated_images = 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((real_images.shape[0], 1))], axis=0
    )
    # Add random noise to the labels - important trick!
    labels += 0.05 * tf.random.uniform(labels.shape)

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

    # Sample random points in the latent space
    random_latent_vectors = tf.random.normal(shape=(batch_size, 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 = discriminator(generator(random_latent_vectors))
        g_loss = loss_fn(misleading_labels, predictions)
    grads = tape.gradient(g_loss, generator.trainable_weights)
    g_optimizer.apply_gradients(zip(grads, generator.trainable_weights))
    return d_loss, g_loss, generated_images

Давайте готовить наш ГАН, путем многократного вызова train_step на пакетах изображений.

Поскольку наш дискриминатор и генератор представляют собой свертки, вы захотите запустить этот код на графическом процессоре.

import os

# 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)

epochs = 1  # In practice you need at least 20 epochs to generate nice digits.
save_dir = "./"

for epoch in range(epochs):
    print("\nStart epoch", epoch)

    for step, real_images in enumerate(dataset):
        # Train the discriminator & generator on one batch of real images.
        d_loss, g_loss, generated_images = train_step(real_images)

        # Logging.
        if step % 200 == 0:
            # Print metrics
            print("discriminator loss at step %d: %.2f" % (step, d_loss))
            print("adversarial loss at step %d: %.2f" % (step, g_loss))

            # Save one generated image
            img = tf.keras.preprocessing.image.array_to_img(
                generated_images[0] * 255.0, scale=False
            )
            img.save(os.path.join(save_dir, "generated_img" + str(step) + ".png"))

        # To limit execution time we stop after 10 steps.
        # Remove the lines below to actually train the model!
        if step > 10:
            break
Start epoch 0
discriminator loss at step 0: 0.69
adversarial loss at step 0: 0.69

Вот и все! Вы получите красивые фальшивые цифры MNIST всего через ~ 30 секунд тренировки на графическом процессоре Colab.