如何在TensorFlow中高效使用数据集
GenevaMast
6年前
<p>相关代码地址：https://github.com/FrancescoSaverioZuppichini/Tensorflow-Dataset-Tutorial/blob/master/dataset_tutorial.ipynb</p> <p>经常使用神经网络框架的人都会知道，feed-dict 是向 TensorFlow 传递信息最慢的方式，应该尽量避免使用。向模型提供数据的正确方式是使用输入管道，这样才能保证 GPU 在工作时永远无需等待新的数据。</p> <p>幸运的是，TensorFlow 拥有一个名为 Dataset 的内建 API，它可以让我们的工作更加简单。在本教程中，我们将介绍搭建内建管道，让数据高效传递给模型的方法。</p> <p>本文将解释 Dataset 的基本原理，包含大多数常用案例。</p> <p>概述</p> <p>使用 Dataset 需要遵循三个步骤：</p> <ul> <li> <p>载入数据：为数据创建一个数据集实例。</p> </li> <li> <p>创建一个迭代器：通过使用创建的数据集构建一个迭代器来对数据集进行迭代。</p> </li> <li> <p>使用数据：通过使用创建的迭代器，我们可以找到可传输给模型的数据集元素。</p> </li> </ul> <p>载入数据</p> <p>我们首先需要一些可以放入数据集的数据。</p> <p>从 Numpy 导入</p> <p>这是一种常见情况：我们拥有一个 numpy 数组，想把它传递给 TensorFlow。</p> <pre> <code class="language-python"># create a random vector of shape (100,2) x = np.random.sample((100,2)) # make a dataset from a numpy array dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x)</code></pre> <p>我们当然也可以传递多个 numpy 数组，一个典型的例子是：当我们已有被分配多个特征和标签的数据时……</p> <pre> <code class="language-python">features, labels = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1))) dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features,labels))</code></pre> <p>从张量导入</p> <p>当然，我们也可以从张量中初始化自己的数据集。</p> <pre> <code class="language-python"># using a tensor dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(tf.random_uniform([100, 2]))</code></pre> <p>从占位符导入</p> <p>当我们希望动态地修改 Dataset 中的数据时，这就会很有用，稍后会有详述。</p> <pre> <code class="language-python">x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,2]) dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x)</code></pre> <p>从生成器导入</p> <p>我们还可以从生成器中初始化 Dataset，这种方式在拥有不同长度的元素的数组时有意义（例如一个序列）。</p> <pre> <code class="language-python">sequence = np.array([[1],[2,3],[3,4]]) def generator(): for el in sequence: yield el dataset = tf.data.Dataset().from_generator(generator, output_types=tf.float32, output_shapes=[tf.float32])</code></pre> <p>在这种情况下，你还需要告诉 Dataset 数据的类型和形状以创建正确的张量。</p> <p>创建迭代器</p> <p>我们已经学会创建数据集了，但如何从中获取数据呢？我们必须使用迭代器（Iterator），它会帮助我们遍历数据集中的内容并找到真值。有四种类型的迭代器。</p> <p>One Shot 迭代器</p> <p>这是最简单的迭代器，使用第一个示例：</p> <pre> <code class="language-python">x = np.random.sample((100,2)) # make a dataset from a numpy array dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x) # create the iterator iter = dataset.make_one_shot_iterator()</code></pre> <p>随后你需要调用 get_next() 来获取包含这些数据的张量</p> <pre> <code class="language-python">... # create the iterator iter = dataset.make_one_shot_iterator() el = iter.get_next()</code></pre> <p>我们可以运行 el 来查看它们的值。</p> <pre> <code class="language-python">with tf.Session() as sess: print(sess.run(el)) # output: [ 0.42116176 0.40666069]</code></pre> <p>可初始化的迭代器</p> <p>如果我们想要创建一个动态的数据集，在其中可以实时更改数据源，我们可以用占位符创建一个数据集。随后我们可以使用通常的 feed-dict 机制来初始化占位符。这一过程可用「可初始化迭代器（initializable iterator）」来完成。使用上一节中的第三个例子：</p> <pre> <code class="language-python"># using a placeholder x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,2]) dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x) data = np.random.sample((100,2)) iter = dataset.make_initializable_iterator() # create the iterator el = iter.get_next() with tf.Session() as sess: # feed the placeholder with data sess.run(iter.initializer, feed_dict={ x: data }) print(sess.run(el)) # output [ 0.52374458 0.71968478]</code></pre> <p>这次我们调用 make_initializable_iterator。然后，我们在 sess 中运行 initializer 操作，以传递数据，这种情况下数据是随机的 numpy 数组。</p> <p>假设现在我们有了训练数据集和测试数据集，那么常见的代码如下：</p> <pre> <code class="language-python">train_data = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1))) test_data = (np.array([[1,2]]), np.array([[0]]))</code></pre> <p>然后，我们训练该模型，并在测试数据集上对其进行测试，测试可以通过训练后再次初始化迭代器来完成。</p> <pre> <code class="language-python"># initializable iterator to switch between dataset EPOCHS = 10 x, y = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,2]), tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,1]) dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x, y)) train_data = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1))) test_data = (np.array([[1,2]]), np.array([[0]])) iter = dataset.make_initializable_iterator() features, labels = iter.get_next() with tf.Session() as sess: # initialise iterator with train data sess.run(iter.initializer, feed_dict={ x: train_data[0], y: train_data[1]}) for _ in range(EPOCHS): sess.run([features, labels]) # switch to test data sess.run(iter.initializer, feed_dict={ x: test_data[0], y: test_data[1]}) print(sess.run([features, labels]))</code></pre> <p>可重新初始化的迭代器</p> <p>这个概念和之前的类似，即在数据之间动态地转换。但并不是将新数据馈送到相同的数据集，而是在数据集之间转换。如前，我们需要一个训练集和一个测试集。</p> <pre> <code class="language-python"># making fake data using numpy train_data = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1))) test_data = (np.random.sample((10,2)), np.random.sample((10,1)))</code></pre> <p>我们可以创建两个数据集：</p> <pre> <code class="language-python"># create two datasets, one for training and one for test train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(train_data) test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(test_data)</code></pre> <p>接下来是要展示的技巧，即创建一个通用的迭代器：</p> <pre> <code class="language-python"># create a iterator of the correct shape and type iter = tf.data.Iterator.from_structure(train_dataset.output_types, train_dataset.output_shapes)</code></pre> <p>以及两个初始化运算：</p> <pre> <code class="language-python"># create the initialisation operations train_init_op = iter.make_initializer(train_dataset) test_init_op = iter.make_initializer(test_dataset)</code></pre> <p>和之前一样，我们得到了下一个元素：</p> <pre> <code class="language-python">features, labels = iter.get_next()</code></pre> <p>现在，我们可以直接使用会话运行这两个初始化运算。总结起来我们得到：</p> <pre> <code class="language-python"># Reinitializable iterator to switch between Datasets EPOCHS = 10 # making fake data using numpy train_data = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1))) test_data = (np.random.sample((10,2)), np.random.sample((10,1))) # create two datasets, one for training and one for test train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(train_data) test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(test_data) # create a iterator of the correct shape and type iter = tf.data.Iterator.from_structure(train_dataset.output_types, train_dataset.output_shapes) features, labels = iter.get_next() # create the initialisation operations train_init_op = iter.make_initializer(train_dataset) test_init_op = iter.make_initializer(test_dataset) with tf.Session() as sess: sess.run(train_init_op) # switch to train dataset for _ in range(EPOCHS): sess.run([features, labels]) sess.run(test_init_op) # switch to val dataset print(sess.run([features, labels]))</code></pre> <p>可馈送的迭代器</p> <p>老实说，我并不认为这个有什么用。基本上，它是用迭代器之间的转换取代了数据集之间的转换，从而得到如一个来自 make_one_shot_iterator() 的迭代器，以及一个来自 make_initializable_iterator() 的迭代器。</p> <p>使用数据</p> <p>在前述例子中，我们利用会话输出 Dataset 中下一个元素的值。</p> <pre> <code class="language-python">... next_el = iter.get_next() ... print(sess.run(next_el)) # will output the current element</code></pre> <p>为了将数据传递给模型，我们只需要传递从 get_next() 生成的张量。在下面的代码中，我们有一个包含了两个 numpy 数组的 Dataset，这里用了和第一节一样的例子。注意，我们需要将.random.sample 封装到另一个 numpy 数组，以增加一个维度，从而将数据进行分批。</p> <pre> <code class="language-python"># using two numpy arrays features, labels = (np.array([np.random.sample((100,2))]), np.array([np.random.sample((100,1))])) dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features,labels)).repeat().batch(BATCH_SIZE)</code></pre> <p>然后，和往常一样，我们创建一个迭代器：</p> <pre> <code class="language-python">iter = dataset.make_one_shot_iterator() x, y = iter.get_next()</code></pre> <p>创建一个模型，即一个简单的神经网络：</p> <pre> <code class="language-python"># make a simple model net = tf.layers.dense(x, 8) # pass the first value from iter.get_next() as input net = tf.layers.dense(net, 8) prediction = tf.layers.dense(net, 1) loss = tf.losses.mean_squared_error(prediction, y) # pass the second value from iter.get_net() as label train_op = tf.train.AdamOptimizer().minimize(loss)</code></pre> <p>我们直接使用来自 iter.get_next() 的张量作为第一层的输入和损失函数的标签。总结起来我们得到：</p> <pre> <code class="language-python"># make a simple model EPOCHS = 10 BATCH_SIZE = 16 # using two numpy arrays features, labels = (np.array([np.random.sample((100,2))]), np.array([np.random.sample((100,1))])) dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features,labels)).repeat().batch(BATCH_SIZE) iter = dataset.make_one_shot_iterator() x, y = iter.get_next() # make a simple model net = tf.layers.dense(x, 8, activation=tf.tanh) # pass the first value from iter.get_next() as input net = tf.layers.dense(net, 8, activation=tf.tanh) prediction = tf.layers.dense(net, 1, activation=tf.tanh) loss = tf.losses.mean_squared_error(prediction, y) # pass the second value from iter.get_net() as label train_op = tf.train.AdamOptimizer().minimize(loss) with tf.Session() as sess: sess.run(tf.global_variables_initializer()) for i in range(EPOCHS): _, loss_value = sess.run([train_op, loss]) print("Iter: {}, Loss: {:.4f}".format(i, loss_value))</code></pre> <p>输出：</p> <pre> <code class="language-python">Iter: 0, Loss: 0.1328 Iter: 1, Loss: 0.1312 Iter: 2, Loss: 0.1296 Iter: 3, Loss: 0.1281 Iter: 4, Loss: 0.1267 Iter: 5, Loss: 0.1254 Iter: 6, Loss: 0.1242 Iter: 7, Loss: 0.1231 Iter: 8, Loss: 0.1220 Iter: 9, Loss: 0.1210</code></pre> <p>一些有用的技巧</p> <p>数据分批</p> <p>通常数据分批是一件令人痛苦的事情，但通过 Dataset API，我们可以利用 batch(BATCH_SIZE) 方法自动地将数据集按设定的批量大小进行分批。默认批量大小为 1。在下面的示例代码中，我们使用的批量大小为 4。</p> <pre> <code class="language-python"># BATCHING BATCH_SIZE = 4 x = np.random.sample((100,2)) # make a dataset from a numpy array dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x).batch(BATCH_SIZE) iter = dataset.make_one_shot_iterator() el = iter.get_next() with tf.Session() as sess: print(sess.run(el))</code></pre> <p>输出：</p> <pre> <code class="language-python">[[ 0.65686128 0.99373963] [ 0.69690451 0.32446826] [ 0.57148422 0.68688242] [ 0.20335116 0.82473219]]</code></pre> <p>repeat</p> <p>使用.repeat()，我们可以指定数据集被迭代的次数。如果不传输任何参数，循环将永久进行。通常来说，永久运行循环和在标准循环中直接控制 epoch 的数量可以得到不错的结果。</p> <p>shuffle</p> <p>我们可以利用 shuffle() 进行数据集 shuffle，默认是在每一个 epoch 中将数据集 shuffle 一次。记住：数据集 shuffle 是避免过拟合的重要方法。</p> <p>我们还可以设置参数 buffer_size，下一个元素将从该固定大小的缓存中均匀地选取。例如：</p> <pre> <code class="language-python"># BATCHING BATCH_SIZE = 4 x = np.array([[1],[2],[3],[4]]) # make a dataset from a numpy array dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x) dataset = dataset.shuffle(buffer_size=100) dataset = dataset.batch(BATCH_SIZE) iter = dataset.make_one_shot_iterator() el = iter.get_next() with tf.Session() as sess: print(sess.run(el))</code></pre> <p>第一次运行的输出：</p> <pre> <code class="language-python">[[4] [2] [3] [1]]</code></pre> <p>第二次运行的输出：</p> <pre> <code class="language-python">[[3] [1] [2] [4]]</code></pre> <p>这样，数据集 shuffle 就完成了。你还可以设置 seed 参数。</p> <p>MAP</p> <p>你可以使用 map 方法对数据集中的所有成员应用定制化函数。下列示例中，我们把每个元素乘 2：</p> <pre> <code class="language-python"># MAP x = np.array([[1],[2],[3],[4]]) # make a dataset from a numpy array dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x) dataset = dataset.map(lambda x: x*2) iter = dataset.make_one_shot_iterator() el = iter.get_next() with tf.Session() as sess: # this will run forever for _ in range(len(x)): print(sess.run(el))</code></pre> <p>输出：</p> <pre> <code class="language-python">[2] [4] [6] [8]</code></pre> <p>其他资源</p> <ul> <li> <p>TensorFlow 数据集教程：https://www.tensorflow.org/programmers_guide/datasets</p> </li> <li> <p>数据集文档：https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/data/Dataset</p> </li> </ul> <p>结论</p> <p>该数据集 API 使我们快速、稳健地创建优化输入流程来训练、评估和测试我们的模型。本文中，我们了解了很多可以常见操作。</p> <p>原文链接：https://towardsdatascience.com/how-to-use-dataset-in-tensorflow-c758ef9e4428</p> <p> </p> <p>来自：https://www.jiqizhixin.com/articles/03137</p> <p> </p>