如何在TensorFlow中高效使用数据集

GenevaMast 1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>