教程 | 如何在TensorFlow中高效使用数据集

2018年02月11日 18:09:26
来源：机器之心

原标题:教程 | 如何在TensorFlow中高效使用数据集选自TowardsDataScienc

原标题:教程 | 如何在TensorFlow中高效使用数据集

选自TowardsDataScience

作者：Francesco Zuppichini

机器之心编译

处理并使用数据集是深度学习任务非常重要的组成部分。在本文中，作者 Francesco Zuppichini 将教你使用 TensorFlow 的内建管道向模型传递数据的方法，从此远离「feed-dict」。本文内容已更新至最新的 TensorFlow 1.5 版本。

相关代码地址：https://github.com/FrancescoSaverioZuppichini/Tensorflow-Dataset-Tutorial/blob/master/dataset_tutorial.ipynb

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。

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。

本文将解释 Dataset 的基本原理，包含大多数常用案例。

概述

使用 Dataset 需要遵循三个步骤：

载入数据：为数据创建一个数据集实例。
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。
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。

载入数据

我们首先需要一些可以放入数据集的数据。

从 Numpy 导入

这是一种常见情况：我们拥有一个 numpy 数组，想把它传递给 TensorFlow。

# 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)

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……

features, labels = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1)))
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features,labels))

从张量导入

当然，我们也可以从张量中初始化自己的数据集。

# using a tensor
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(tf.random_uniform([100, 2]))

从占位符导入

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。

x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,2])
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x)

从生成器导入

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）。

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])

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。

创建迭代器

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。

One Shot 迭代器

这是最简单的迭代器，使用第一个示例：

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()

随后你需要调用 get_next() 来获取包含这些数据的张量

...
# create the iterator
iter = dataset.make_one_shot_iterator()
el = iter.get_next()

我们可以运行 el 来查看它们的值。

with tf.Session() as sess:
    print(sess.run(el)) # output: [ 0.42116176 0.40666069]

可初始化的迭代器

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：

# 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]

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。

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：

train_data = (np.random.sample((100,2)), np.random.sample((100,1)))
test_data = (np.array([[1,2]]), np.array([[0]]))

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。

# 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]))

可重新初始化的迭代器

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。

# 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)))

我们可以创建两个数据集：

# 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)

接下来是要展示的技巧，即创建一个通用的迭代器：

# create a iterator of the correct shape and type
iter = tf.data.Iterator.from_structure(train_dataset.output_types,
                                           train_dataset.output_shapes)

以及两个初始化运算：

# create the initialisation operations
train_init_op = iter.make_initializer(train_dataset)
test_init_op = iter.make_initializer(test_dataset)

和之前一样，我们得到了下一个元素：

features, labels = iter.get_next()

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：

# 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]))

可馈送的迭代器

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。

使用数据

在前述例子中，我们利用会话输出 Dataset 中下一个元素的值。

...
next_el = iter.get_next()
...
print(sess.run(next_el)) # will output the current element

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。

# 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)

然后，和往常一样，我们创建一个迭代器：

iter = dataset.make_one_shot_iterator()
x, y = iter.get_next()

创建一个模型，即一个简单的神经网络：

# 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)

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：

# 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))

输出：

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

一些有用的技巧

数据分批

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。

# 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))

输出：

[[ 0.65686128  0.99373963]
 [ 0.69690451  0.32446826]
 [ 0.57148422  0.68688242]
 [ 0.20335116  0.82473219]]

repeat

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。

shuffle

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。

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：

# 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))

第一次运行的输出：

[[4]
 [2]
 [3]
 [1]]

第二次运行的输出：

[[3]
 [1]
 [2]
 [4]]

这样，数据集 shuffle 就完成了。你还可以设置 seed 参数。

MAP

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：

# 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))