5.3 Model (函数式 API)

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2023-12-01

在函数式 API 中，给定一些输入张量和输出张量，可以通过以下方式实例化一个 Model：

from keras.models import Model
from keras.layers import Input, Dense

a = Input(shape=(32,))
b = Dense(32)(a)
model = Model(inputs=a, outputs=b)

这个模型将包含从 a 到 b 的计算的所有网络层。

在多输入或多输出模型的情况下，你也可以使用列表：

model = Model(inputs=[a1, a2], outputs=[b1, b3, b3])

有关 Model 的详细介绍，请阅读 Keras 函数式 API 指引。

Model 类模型方法

compile

compile(optimizer, loss=None, metrics=None, loss_weights=None, sample_weight_mode=None, weighted_metrics=None, target_tensors=None)

用于配置训练模型。

参数

optimizer: 字符串（优化器名）或者优化器实例。详见 optimizers。
loss: 字符串（目标函数名）或目标函数或 Loss 实例。详见 losses。如果模型具有多个输出，则可以通过传递损失函数的字典或列表，在每个输出上使用不同的损失。模型将最小化的损失值将是所有单个损失的总和。
metrics: 在训练和测试期间的模型评估标准。通常你会使用 metrics = ['accuracy']。要为多输出模型的不同输出指定不同的评估标准，还可以传递一个字典，如 metrics={'output_a': 'accuracy', 'output_b': ['accuracy', 'mse']}。你也可以传递一个评估指标序列的序列 (len = len(outputs)) 例如 metrics=[['accuracy'], ['accuracy', 'mse']] 或 metrics=['accuracy', ['accuracy', 'mse']]。
loss_weights: 可选的指定标量系数（Python 浮点数）的列表或字典，用以衡量损失函数对不同的模型输出的贡献。模型将最小化的误差值是由 loss_weights 系数加权的加权总和误差。如果是列表，那么它应该是与模型输出相对应的 1:1 映射。如果是字典，那么应该把输出的名称（字符串）映到标量系数。
sample_weight_mode: 如果你需要执行按时间步采样权重（2D 权重），请将其设置为 temporal。默认为 None，为采样权重（1D）。如果模型有多个输出，则可以通过传递 mode 的字典或列表，以在每个输出上使用不同的 sample_weight_mode。
weighted_metrics: 在训练和测试期间，由 sample_weight 或 class_weight 评估和加权的度量标准列表。
target_tensors: 默认情况下，Keras 将为模型的目标创建一个占位符，在训练过程中将使用目标数据。相反，如果你想使用自己的目标张量（反过来说，Keras 在训练期间不会载入这些目标张量的外部 Numpy 数据），您可以通过 target_tensors 参数指定它们。它可以是单个张量（单输出模型），张量列表，或一个映射输出名称到目标张量的字典。
**kwargs: 当使用 Theano/CNTK 后端时，这些参数被传入 K.function。当使用 TensorFlow 后端时，这些参数被传递到 tf.Session.run。

异常

ValueError: 如果 optimizer, loss, metrics 或 sample_weight_mode 这些参数不合法。

fit

fit(x=None, y=None, batch_size=None, epochs=1, verbose=1, callbacks=None, validation_split=0.0, validation_data=None, shuffle=True, class_weight=None, sample_weight=None, initial_epoch=0, steps_per_epoch=None, validation_steps=None, validation_freq=1, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False)

以固定数量的轮次（数据集上的迭代）训练模型。

参数

x: 输入数据。可以是：
- 一个 Numpy 数组（或类数组），或者数组的序列（如果模型有多个输入）。
- 一个将名称匹配到对应数组/张量的字典，如果模型具有命名输入。
- 一个返回 (inputs, targets) 或 (inputs, targets, sample weights) 的生成器或 keras.utils.Sequence。
- None（默认），如果从本地框架张量馈送（例如 TensorFlow 数据张量）。
y: 目标数据。与输入数据 x 类似，它可以是 Numpy 数组（序列）、本地框架张量（序列）、Numpy数组序列（如果模型有多个输出）或 None（默认）如果从本地框架张量馈送（例如 TensorFlow 数据张量）。如果模型输出层已命名，你也可以传递一个名称匹配 Numpy 数组的字典。如果 x 是一个生成器，或 keras.utils.Sequence 实例，则不应该指定 y（因为目标可以从 x 获得）。
batch_size: 整数或 None。每次梯度更新的样本数。如果未指定，默认为 32。如果你的数据是符号张量、生成器或 Sequence 实例形式，不要指定 batch_size，因为它们会生成批次。
epochs: 整数。训练模型迭代轮次。一个轮次是在整个 x 和 y 上的一轮迭代。请注意，与 initial_epoch 一起，epochs 被理解为「最终轮次」。模型并不是训练了 epochs 轮，而是到第 epochs 轮停止训练。
verbose: 整数，0, 1 或 2。日志显示模式。 0 = 安静模式, 1 = 进度条, 2 = 每轮一行。
callbacks: 一系列的 keras.callbacks.Callback 实例。一系列可以在训练和验证（如果有）时使用的回调函数。详见 callbacks。
validation_split: 0 和 1 之间的浮点数。用作验证集的训练数据的比例。模型将分出一部分不会被训练的验证数据，并将在每一轮结束时评估这些验证数据的误差和任何其他模型指标。验证数据是混洗之前 x 和y 数据的最后一部分样本中。这个参数在 x 是生成器或 Sequence 实例时不支持。
validation_data: 用于在每个轮次结束后评估损失和任意指标的数据。模型不会在这个数据上训练。validation_data 会覆盖 validation_split。 validation_data 可以是：
```
- 元组 `(x_val, y_val)` 或 Numpy 数组或张量
- 元组 `(x_val, y_val, val_sample_weights)` 或 Numpy 数组。
- 数据集或数据集迭代器。
```
对于前两种情况，必须提供 batch_size。对于最后一种情况，必须提供 validation_steps。
shuffle: 布尔值（是否在每轮迭代之前混洗数据）或者字符串 (batch)。 batch 是处理 HDF5 数据限制的特殊选项，它对一个 batch 内部的数据进行混洗。当 steps_per_epoch 非 None 时，这个参数无效。
class_weight: 可选的字典，用来映射类索引（整数）到权重（浮点）值，用于加权损失函数（仅在训练期间）。这可能有助于告诉模型「更多关注」来自代表性不足的类的样本。
sample_weight: 训练样本的可选 Numpy 权重数组，用于对损失函数进行加权（仅在训练期间）。你可以传递与输入样本长度相同的平坦（1D）Numpy 数组（权重和样本之间的 1:1 映射），或者在时序数据的情况下，可以传递尺寸为 (samples, sequence_length) 的 2D 数组，以对每个样本的每个时间步施加不同的权重。在这种情况下，你应该确保在 compile() 中指定 sample_weight_mode="temporal"。这个参数在 x 是生成器或 Sequence 实例时不支持，应该提供 sample_weights 作为 x 的第 3 元素。
initial_epoch: 整数。开始训练的轮次（有助于恢复之前的训练）。
steps_per_epoch: 整数或 None。在声明一个轮次完成并开始下一个轮次之前的总步数（样品批次）。使用 TensorFlow 数据张量等输入张量进行训练时，默认值 None 等于数据集中样本的数量除以 batch 的大小，如果无法确定，则为 1。
validation_steps: 只有在提供了 validation_data 并且时一个生成器时才有用。表示在每个轮次结束时执行验证时，在停止之前要执行的步骤总数（样本批次）。
validation_freq: 只有在提供了验证数据时才有用。整数或列表/元组/集合。如果是整数，指定在新的验证执行之前要执行多少次训练，例如，validation_freq=2 在每 2 轮训练后执行验证。如果是列表、元组或集合，指定执行验证的轮次，例如，validation_freq=[1, 2, 10] 表示在第 1、2、10 轮训练后执行验证。
max_queue_size: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。生成器队列的最大尺寸。若未指定，max_queue_size 将默认为 10。
workers: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。当使用基于进程的多线程时的最大进程数。若未指定，workers 将默认为 1。若为 0，将在主线程执行生成器。
use_multiprocessing: 布尔值。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。如果是 True，使用基于进程的多线程。若未指定，use_multiprocessing 将默认为 False。注意由于这个实现依赖于 multiprocessing，你不应该像生成器传递不可选的参数，因为它们不能轻松地传递给子进程。
**kwargs: 用于向后兼容。

一个 History 对象。其 History.history 属性是连续 epoch 训练损失和评估值，以及验证集损失和评估值的记录（如果适用）。

异常

RuntimeError: 如果模型从未编译。
ValueError: 在提供的输入数据与模型期望的不匹配的情况下。

evaluate

evaluate(x=None, y=None, batch_size=None, verbose=1, sample_weight=None, steps=None, callbacks=None, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False)

在测试模式下返回模型的误差值和评估标准值。

计算是分批进行的。

参数

x: 输入数据。可以是：
- 一个 Numpy 数组（或类数组），或者数组的序列（如果模型有多个输入）。
- 一个将名称匹配到对应数组/张量的字典，如果模型具有命名输入。
- 一个返回 (inputs, targets) 或 (inputs, targets, sample weights) 的生成器或 keras.utils.Sequence。
- None（默认），如果从本地框架张量馈送（例如 TensorFlow 数据张量）。
y: 目标数据。与输入数据 x 类似，它可以是 Numpy 数组（序列）、本地框架张量（序列）、Numpy数组序列（如果模型有多个输出）或 None（默认）如果从本地框架张量馈送（例如 TensorFlow 数据张量）。如果模型输出层已命名，你也可以传递一个名称匹配 Numpy 数组的字典。如果 x 是一个生成器，或 keras.utils.Sequence 实例，则不应该指定 y（因为目标可以从 x 获得）。
batch_size: 整数或 None。每次梯度更新的样本数。如果未指定，默认为 32。如果你的数据是符号张量、生成器或 keras.utils.Sequence 实例形式，不要指定 batch_size，因为它们会生成批次。
verbose: 0, 1。日志显示模式。0 = 安静模式, 1 = 进度条。
sample_weight: 训练样本的可选 Numpy 权重数组，用于对损失函数进行加权。你可以传递与输入样本长度相同的平坦（1D）Numpy 数组（权重和样本之间的 1:1 映射），或者在时序数据的情况下，可以传递尺寸为 (samples, sequence_length) 的 2D 数组，以对每个样本的每个时间步施加不同的权重。在这种情况下，你应该确保在 compile() 中指定 sample_weight_mode="temporal"。
steps: 整数或 None。声明评估结束之前的总步数（批次样本）。默认值 None 时被忽略。
callbacks: 一系列的 keras.callbacks.Callback 实例。一系列可以在评估时使用的回调函数。详见 callbacks。
max_queue_size: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。生成器队列的最大尺寸。若未指定，max_queue_size 将默认为 10。
workers: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。当使用基于进程的多线程时的最大进程数。若未指定，workers 将默认为 1。若为 0，将在主线程执行生成器。
use_multiprocessing: 布尔值。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。如果是 True，使用基于进程的多线程。若未指定，use_multiprocessing 将默认为 False。注意由于这个实现依赖于 multiprocessing，你不应该像生成器传递不可选的参数，因为它们不能轻松地传递给子进程。

异常

ValueError: 如果参数错误。

标量测试误差（如果模型只有一个输出且没有评估标准）或标量列表（如果模型具有多个输出和/或评估指标）。属性 model.metrics_names 将提供标量输出的显示标签。

predict

predict(x, batch_size=None, verbose=0, steps=None, callbacks=None, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False)

为输入样本生成输出预测。

计算是分批进行的

参数

x: 输入数据。可以是：
- 一个 Numpy 数组（或类数组），或者数组的序列（如果模型有多个输入）。
- 一个将名称匹配到对应数组/张量的字典，如果模型具有命名输入。
- 一个返回 (inputs, targets) 或 (inputs, targets, sample weights) 的生成器或 keras.utils.Sequence。
- None（默认），如果从本地框架张量馈送（例如 TensorFlow 数据张量）。
batch_size: 整数或 None。每次梯度更新的样本数。如果未指定，默认为 32。如果你的数据是符号张量、生成器或 keras.utils.Sequence 实例形式，不要指定 batch_size，因为它们会生成批次。
verbose: 日志显示模式，0 或 1。
steps: 整数或 None。声明评估结束之前的总步数（批次样本）。默认值 None 时被忽略。
callbacks: 一系列的 keras.callbacks.Callback 实例。一系列可以在预测时使用的回调函数。详见 callbacks。
max_queue_size: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。生成器队列的最大尺寸。若未指定，max_queue_size 将默认为 10。
workers: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。当使用基于进程的多线程时的最大进程数。若未指定，workers 将默认为 1。若为 0，将在主线程执行生成器。
use_multiprocessing: 布尔值。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。如果是 True，使用基于进程的多线程。若未指定，use_multiprocessing 将默认为 False。注意由于这个实现依赖于 multiprocessing，你不应该像生成器传递不可选的参数，因为它们不能轻松地传递给子进程。

预测的 Numpy 数组（或数组列表）。

异常

ValueError: 在提供的输入数据与模型期望的不匹配的情况下，或者在有状态的模型接收到的样本不是 batch size 的倍数的情况下。

train_on_batch

train_on_batch(x, y, sample_weight=None, class_weight=None, reset_metrics=True)

运行一批样品的单次梯度更新。

_参数

x: 训练数据的 Numpy 数组（如果模型只有一个输入），或者是 Numpy 数组的列表（如果模型有多个输入）。如果模型中的输入层被命名，你也可以传递一个字典，将输入层名称映射到 Numpy 数组。
y: 目标（标签）数据的 Numpy 数组，或 Numpy 数组的列表（如果模型具有多个输出）。如果模型中的输出层被命名，你也可以传递一个字典，将输出层名称映射到 Numpy 数组。
sample_weight: 可选数组，与 x 长度相同，包含应用到模型损失函数的每个样本的权重。如果是时域数据，你可以传递一个尺寸为 (samples, sequence_length) 的 2D 数组，为每一个样本的每一个时间步应用不同的权重。在这种情况下，你应该在 compile() 中指定 sample_weight_mode="temporal"。
class_weight: 可选的字典，用来映射类索引（整数）到权重（浮点）值，以在训练时对模型的损失函数加权。这可能有助于告诉模型「更多关注」来自代表性不足的类的样本。
reset_metrics: 如果为 True，返回的指标仅适用于该批次。如果为 False，则指标将在批次之间有状态地累积。

标量训练误差（如果模型只有一个输入且没有评估标准），或者标量的列表（如果模型有多个输出和/或评估标准）。属性 model.metrics_names 将提供标量输出的显示标签。

test_on_batch

test_on_batch(x, y, sample_weight=None, reset_metrics=True)

在一批样本上测试模型。

参数

x: 测试数据的 Numpy 数组（如果模型只有一个输入），或者是 Numpy 数组的列表（如果模型有多个输入）。如果模型中的输入层被命名，你也可以传递一个字典，将输入层名称映射到 Numpy 数组。
y: 目标（标签）数据的 Numpy 数组，或 Numpy 数组的列表（如果模型具有多个输出）。如果模型中的输出层被命名，你也可以传递一个字典，将输出层名称映射到 Numpy 数组。
sample_weight: 可选数组，与 x 长度相同，包含应用到模型损失函数的每个样本的权重。如果是时域数据，你可以传递一个尺寸为 (samples, sequence_length) 的 2D 数组，为每一个样本的每一个时间步应用不同的权重。
reset_metrics: 如果为 True，返回的指标仅适用于该批次。如果为 False，则指标将在批次之间有状态地累积。

标量测试误差（如果模型只有一个输入且没有评估标准），或者标量的列表（如果模型有多个输出和/或评估标准）。属性 model.metrics_names 将提供标量输出的显示标签。

predict_on_batch

predict_on_batch(x)

返回一批样本的模型预测值。

参数

x: 输入数据，Numpy 数组。

预测值的 Numpy 数组（或数组列表）。

fit_generator

fit_generator(generator, steps_per_epoch=None, epochs=1, verbose=1, callbacks=None, validation_data=None, validation_steps=None, validation_freq=1, class_weight=None, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False, shuffle=True, initial_epoch=0)

使用 Python 生成器（或 Sequence 实例）逐批生成的数据，按批次训练模型。

生成器与模型并行运行，以提高效率。例如，这可以让你在 CPU 上对图像进行实时数据增强，以在 GPU 上训练模型。

keras.utils.Sequence 的使用可以保证数据的顺序，以及当 use_multiprocessing=True 时，保证每个输入在每个 epoch 只使用一次。

参数

generator: 一个生成器，或者一个 Sequence (keras.utils.Sequence) 对象的实例，以在使用多进程时避免数据的重复。生成器的输出应该为以下之一：
- 一个 (inputs, targets) 元组
- 一个 (inputs, targets, sample_weights) 元组。
  这个元组（生成器的单个输出）组成了单个的 batch。因此，这个元组中的所有数组长度必须相同（与这一个 batch 的大小相等）。不同的 batch 可能大小不同。例如，一个 epoch 的最后一个 batch 往往比其他 batch 要小，如果数据集的尺寸不能被 batch size 整除。生成器将无限地在数据集上循环。当运行到第 steps_per_epoch 时，记一个 epoch 结束。
steps_per_epoch: 在声明一个 epoch 完成并开始下一个 epoch 之前从 generator 产生的总步数（批次样本）。它通常应该等于 ceil(num_samples / batch_size)。对于 Sequence，它是可选的：如果未指定，将使用len(generator) 作为步数。
epochs: 整数。训练模型的迭代总轮数。一个 epoch 是对所提供的整个数据的一轮迭代，如 steps_per_epoch 所定义。注意，与 initial_epoch 一起使用， epoch 应被理解为「最后一轮」。模型没有经历由 epochs 给出的多次迭代的训练，而仅仅是直到达到索引 epoch 的轮次。
verbose: 整数，0, 1 或 2。日志显示模式。 0 = 安静模式, 1 = 进度条, 2 = 每轮一行。
callbacks: 一系列的 keras.callbacks.Callback 实例。一系列可以在训练时使用的回调函数。详见 callbacks。
validation_data: 它可以是以下之一：
- 验证数据的生成器或 Sequence 实例
- (inputs, targets) 元组
- (inputs, targets, sample_weights) 元组。
  在每个 epoch 结束时评估损失和任何模型指标。该模型不会对此数据进行训练。
validation_steps: 仅当 validation_data 是一个生成器时才可用。表示在每一轮迭代末尾停止前从 validation_data 生成器生成地总步数（样本批次）。它应该等于由 batch size 分割的验证数据集的样本数。对于 Sequence 它是可选的：若未指定，将会使用 len(validation_data) 作为步数。
validation_freq: 只有在提供了验证数据时才有用。整数或 collections.Container 实例（例如列表、元组等）。如果是整数，指定在新的验证执行之前要执行多少次训练，例如，validation_freq=2 在每 2 轮训练后执行验证。如果是 Container，指定执行验证的轮次，例如，validation_freq=[1, 2, 10] 表示在第 1、2、10 轮训练后执行验证。
class_weight: 可选的将类索引（整数）映射到权重（浮点）值的字典，用于加权损失函数（仅在训练期间）。这可以用来告诉模型「更多地关注」来自代表性不足的类的样本。
max_queue_size: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。生成器队列的最大尺寸。若未指定，max_queue_size 将默认为 10。
workers: 整数。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。当使用基于进程的多线程时的最大进程数。若未指定，workers 将默认为 1。若为 0，将在主线程执行生成器。
use_multiprocessing: 布尔值。仅用于生成器或 keras.utils.Sequence 输入。如果是 True，使用基于进程的多线程。若未指定，use_multiprocessing 将默认为 False。注意由于这个实现依赖于 multiprocessing，你不应该像生成器传递不可选的参数，因为它们不能轻松地传递给子进程。
shuffle: 布尔值。是否在每轮迭代之前打乱 batch 的顺序。只能与 Sequence (keras.utils.Sequence) 实例同用。当 steps_per_epoch 为 None 是无效。
initial_epoch: 整数。开始训练的轮次（有助于恢复之前的训练）。

一个 History 对象。其 History.history 属性是连续 epoch 训练损失和评估值，以及验证集损失和评估值的记录（如果适用）。

异常

ValueError: 如果生成器生成的数据格式不正确。

示例

def generate_arrays_from_file(path):
    while True:
        with open(path) as f:
            for line in f:
            # 从文件中的每一行生成输入数据和标签的 numpy 数组，
            x1, x2, y = process_line(line)
            yield ({'input_1': x1, 'input_2': x2}, {'output': y})
        f.close()

model.fit_generator(generate_arrays_from_file('/my_file.txt'),
                    steps_per_epoch=10000, epochs=10)

evaluate_generator

evaluate_generator(generator, steps=None, callbacks=None, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False, verbose=0)

在数据生成器上评估模型。

这个生成器应该返回与 test_on_batch 所接收的同样的数据。

参数

generator: 一个生成 (inputs, targets) 或 (inputs, targets, sample_weights) 的生成器，或一个 Sequence (keras.utils.Sequence) 对象的实例，以避免在使用多进程时数据的重复。
steps: 在声明一个 epoch 完成并开始下一个 epoch 之前从 generator 产生的总步数（批次样本）。它通常应该等于你的数据集的样本数量除以批量大小。对于 Sequence，它是可选的：如果未指定，将使用len(generator) 作为步数。
callbacks: 一系列的 keras.callbacks.Callback 实例。一系列可以在评估时使用的回调函数。详见 callbacks。
max_queue_size: 生成器队列的最大尺寸。
workers: 整数。使用的最大进程数量，如果使用基于进程的多线程。如未指定，workers 将默认为 1。如果为 0，将在主线程上执行生成器。
use_multiprocessing: 布尔值。如果 True，则使用基于进程的多线程。请注意，由于此实现依赖于多进程，所以不应将不可传递的参数传递给生成器，因为它们不能被轻易地传递给子进程。
verbose: 日志显示模式，0 或 1。

异常

ValueError: 如果生成器生成的数据格式不正确。

predict_generator

predict_generator(generator, steps=None, callbacks=None, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False, verbose=0)

为来自数据生成器的输入样本生成预测。

这个生成器应该返回与 predict_on_batch 所接收的同样的数据。

参数

generator: 生成器，返回批量输入样本，或一个 Sequence (keras.utils.Sequence) 对象的实例，以避免在使用多进程时数据的重复。
steps: 在声明一个 epoch 完成并开始下一个 epoch 之前从 generator 产生的总步数（批次样本）。它通常应该等于你的数据集的样本数量除以批量大小。对于 Sequence，它是可选的：如果未指定，将使用len(generator) 作为步数。
callbacks: 一系列的 keras.callbacks.Callback 实例。一系列可以在预测时使用的回调函数。详见 callbacks。
max_queue_size: 生成器队列的最大尺寸。
max_queue_size: 生成器队列的最大尺寸。
workers: 整数。使用的最大进程数量，如果使用基于进程的多线程。如未指定，workers 将默认为 1。如果为 0，将在主线程上执行生成器。
use_multiprocessing: 如果 True，则使用基于进程的多线程。请注意，由于此实现依赖于多进程，所以不应将不可传递的参数传递给生成器，因为它们不能被轻易地传递给子进程。
verbose: 日志显示模式，0 或 1。

预测值的 Numpy 数组（或数组列表）。

异常

ValueError: 如果生成器生成的数据格式不正确。

get_layer

get_layer(self, name=None, index=None)

根据名称（唯一）或索引值查找网络层。

如果同时提供了 name 和 index，则 index 将优先。

索引值来自于水平图遍历的顺序（自下而上）。

参数

name: 字符串，层的名字。
index: 整数，层的索引。

一个层实例。

异常

ValueError: 如果层的名称或索引不正确。