函数式模型接口

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2023-12-01

为什么叫“函数式模型”，请查看“Keras新手指南”的相关部分

Keras的函数式模型为Model，即广义的拥有输入和输出的模型，我们使用Model来初始化一个函数式模型

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)

在这里，我们的模型以a为输入，以b为输出，同样我们可以构造拥有多输入和多输出的模型

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

常用Model属性

model.layers：组成模型图的各个层
model.inputs：模型的输入张量列表
model.outputs：模型的输出张量列表

Model模型方法

compile

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

本函数编译模型以供训练，参数有

optimizer：优化器，为预定义优化器名或优化器对象，参考优化器
loss：损失函数，为预定义损失函数名或一个目标函数，参考损失函数
metrics：列表，包含评估模型在训练和测试时的性能的指标，典型用法是metrics=['accuracy']如果要在多输出模型中为不同的输出指定不同的指标，可像该参数传递一个字典，例如metrics={'ouput_a': 'accuracy'}
sample_weight_mode：如果你需要按时间步为样本赋权（2D权矩阵），将该值设为“temporal”。默认为“None”，代表按样本赋权（1D权）。如果模型有多个输出，可以向该参数传入指定sample_weight_mode的字典或列表。在下面fit函数的解释中有相关的参考内容。
weighted_metrics: metrics列表，在训练和测试过程中，这些metrics将由sample_weight或clss_weight计算并赋权
target_tensors: 默认情况下，Keras将为模型的目标创建一个占位符，该占位符在训练过程中将被目标数据代替。如果你想使用自己的目标张量（相应的，Keras将不会在训练时期望为这些目标张量载入外部的numpy数据），你可以通过该参数手动指定。目标张量可以是一个单独的张量（对应于单输出模型），也可以是一个张量列表，或者一个name->tensor的张量字典。
kwargs：使用TensorFlow作为后端请忽略该参数，若使用Theano/CNTK作为后端，kwargs的值将会传递给 K.function。如果使用TensorFlow为后端，这里的值会被传给tf.Session.run

当为参数传入非法值时会抛出异常

【Tips】如果你只是载入模型并利用其predict，可以不用进行compile。在Keras中，compile主要完成损失函数和优化器的一些配置，是为训练服务的。predict会在内部进行符号函数的编译工作（通过调用_make_predict_function生成函数），

fit

fit(self, 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)

本函数用以训练模型，参数有：

x：输入数据。如果模型只有一个输入，那么x的类型是numpy array，如果模型有多个输入，那么x的类型应当为list，list的元素是对应于各个输入的numpy array。如果模型的每个输入都有名字，则可以传入一个字典，将输入名与其输入数据对应起来。
y：标签，numpy array。如果模型有多个输出，可以传入一个numpy array的list。如果模型的输出拥有名字，则可以传入一个字典，将输出名与其标签对应起来。
batch_size：整数，指定进行梯度下降时每个batch包含的样本数。训练时一个batch的样本会被计算一次梯度下降，使目标函数优化一步。
epochs：整数，训练终止时的epoch值，训练将在达到该epoch值时停止，当没有设置initial_epoch时，它就是训练的总轮数，否则训练的总轮数为epochs - inital_epoch
verbose：日志显示，0为不在标准输出流输出日志信息，1为输出进度条记录，2为每个epoch输出一行记录
callbacks：list，其中的元素是keras.callbacks.Callback的对象。这个list中的回调函数将会在训练过程中的适当时机被调用，参考回调函数
validation_split：0~1之间的浮点数，用来指定训练集的一定比例数据作为验证集。验证集将不参与训练，并在每个epoch结束后测试的模型的指标，如损失函数、精确度等。注意，validation_split的划分在shuffle之后，因此如果你的数据本身是有序的，需要先手工打乱再指定validation_split，否则可能会出现验证集样本不均匀。
validation_data：形式为（X，y）或（X，y，sample_weights）的tuple，是指定的验证集。此参数将覆盖validation_spilt。
shuffle：布尔值，表示是否在训练过程中每个epoch前随机打乱输入样本的顺序。
class_weight：字典，将不同的类别映射为不同的权值，该参数用来在训练过程中调整损失函数（只能用于训练）。该参数在处理非平衡的训练数据（某些类的训练样本数很少）时，可以使得损失函数对样本数不足的数据更加关注。
sample_weight：权值的numpy array，用于在训练时调整损失函数（仅用于训练）。可以传递一个1D的与样本等长的向量用于对样本进行1对1的加权，或者在面对时序数据时，传递一个的形式为（samples，sequence_length）的矩阵来为每个时间步上的样本赋不同的权。这种情况下请确定在编译模型时添加了sample_weight_mode='temporal'。
initial_epoch: 从该参数指定的epoch开始训练，在继续之前的训练时有用。
steps_per_epoch: 一个epoch包含的步数（每一步是一个batch的数据送入），当使用如TensorFlow数据Tensor之类的输入张量进行训练时，默认的None代表自动分割，即数据集样本数/batch样本数。
validation_steps: 仅当steps_per_epoch被指定时有用，在验证集上的step总数。

输入数据与规定数据不匹配时会抛出错误

fit函数返回一个History的对象，其History.history属性记录了损失函数和其他指标的数值随epoch变化的情况，如果有验证集的话，也包含了验证集的这些指标变化情况

evaluate

evaluate(self, x, y, batch_size=32, verbose=1, sample_weight=None)

本函数按batch计算在某些输入数据上模型的误差，其参数有：

x：输入数据，与fit一样，是numpy array或numpy array的list
y：标签，numpy array
batch_size：整数，含义同fit的同名参数
verbose：含义同fit的同名参数，但只能取0或1
sample_weight：numpy array，含义同fit的同名参数

本函数返回一个测试误差的标量值（如果模型没有其他评价指标），或一个标量的list（如果模型还有其他的评价指标）。model.metrics_names将给出list中各个值的含义。

如果没有特殊说明，以下函数的参数均保持与fit的同名参数相同的含义

如果没有特殊说明，以下函数的verbose参数（如果有）均只能取0或1

predict

predict(self, x, batch_size=32, verbose=0)

本函数按batch获得输入数据对应的输出，其参数有：

函数的返回值是预测值的numpy array

train_on_batch

train_on_batch(self, x, y, class_weight=None, sample_weight=None)

本函数在一个batch的数据上进行一次参数更新

函数返回训练误差的标量值或标量值的list，与evaluate的情形相同。

test_on_batch

test_on_batch(self, x, y, sample_weight=None)

本函数在一个batch的样本上对模型进行评估

函数的返回与evaluate的情形相同

predict_on_batch

predict_on_batch(self, x)

本函数在一个batch的样本上对模型进行测试

函数返回模型在一个batch上的预测结果

fit_generator

fit_generator(self, generator, steps_per_epoch, epochs=1, verbose=1, callbacks=None, validation_data=None, validation_steps=None, class_weight=None, max_q_size=10, workers=1, pickle_safe=False, initial_epoch=0)

利用Python的生成器，逐个生成数据的batch并进行训练。生成器与模型将并行执行以提高效率。例如，该函数允许我们在CPU上进行实时的数据提升，同时在GPU上进行模型训练

函数的参数是：

generator：生成器函数，生成器的输出应该为：
- 一个形如（inputs，targets）的tuple
- 一个形如（inputs, targets,sample_weight）的tuple。所有的返回值都应该包含相同数目的样本。生成器将无限在数据集上循环。每个epoch以经过模型的样本数达到samples_per_epoch时，记一个epoch结束
steps_per_epoch：整数，当生成器返回steps_per_epoch次数据时计一个epoch结束，执行下一个epoch
epochs：整数，数据迭代的轮数
verbose：日志显示，0为不在标准输出流输出日志信息，1为输出进度条记录，2为每个epoch输出一行记录
validation_data：具有以下三种形式之一
- 生成验证集的生成器
- 一个形如（inputs,targets）的tuple
- 一个形如（inputs,targets，sample_weights）的tuple
validation_steps: 当validation_data为生成器时，本参数指定验证集的生成器返回次数
class_weight：规定类别权重的字典，将类别映射为权重，常用于处理样本不均衡问题。
sample_weight：权值的numpy array，用于在训练时调整损失函数（仅用于训练）。可以传递一个1D的与样本等长的向量用于对样本进行1对1的加权，或者在面对时序数据时，传递一个的形式为（samples，sequence_length）的矩阵来为每个时间步上的样本赋不同的权。这种情况下请确定在编译模型时添加了sample_weight_mode='temporal'。
workers：最大进程数
max_q_size：生成器队列的最大容量
pickle_safe: 若为真，则使用基于进程的线程。由于该实现依赖多进程，不能传递non picklable（无法被pickle序列化）的参数到生成器中，因为无法轻易将它们传入子进程中。
initial_epoch: 从该参数指定的epoch开始训练，在继续之前的训练时有用。

函数返回一个History对象

例子

def generate_arrays_from_file(path):
    while 1:
    f = open(path)
    for line in f:
        # create numpy arrays of input data
        # and labels, from each line in the file
        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(self, generator, steps, max_q_size=10, workers=1, pickle_safe=False)

本函数使用一个生成器作为数据源，来评估模型，生成器应返回与test_on_batch的输入数据相同类型的数据。

函数的参数是：

generator：生成输入batch数据的生成器
val_samples：生成器应该返回的总样本数
steps：生成器要返回数据的轮数
max_q_size：生成器队列的最大容量
nb_worker：使用基于进程的多线程处理时的进程数
pickle_safe：若设置为True，则使用基于进程的线程。注意因为它的实现依赖于多进程处理，不可传递不可pickle的参数到生成器中，因为它们不能轻易的传递到子进程中。

predict_generator

predict_generator(self, generator, steps, max_queue_size=10, workers=1, use_multiprocessing=False, verbose=0)

从一个生成器上获取数据并进行预测，生成器应返回与predict_on_batch输入类似的数据

函数的参数是：

generator：生成输入batch数据的生成器
val_samples：生成器应该返回的总样本数
max_q_size：生成器队列的最大容量
nb_worker：使用基于进程的多线程处理时的进程数
pickle_safe：若设置为True，则使用基于进程的线程。注意因为它的实现依赖于多进程处理，不可传递不可pickle的参数到生成器中，因为它们不能轻易的传递到子进程中。