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简介：使用 TensorFlow 创建并训练计算机视觉模型

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实验 1 小时 universal_currency_alt 5 个积分 show_chart 中级
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概览

TensorFlow 是一款由 Google 开发的可移植机器学习开源库，功能强大，可处理超大型数据集。在本实验中，您将使用 TensorFlow Vertex AI Workbench 来创建并训练一个用于识别不同服饰类别的计算机视觉模型。

TensorFlow 简介

TensorFlow 提供了用于构建机器学习模型的计算框架，还提供了各种不同的工具包，让您能够以自己偏好的抽象级别构建模型。在本实验中，您将使用 tf.keras（一种高级 API）在 TensorFlow 中构建和训练用于对图像进行分类的神经网络。

神经网络

神经网络是一种受大脑启发而创造的模型。它由多个层组成，其中至少有一层是隐藏层，该层由连接起来的简单单元（即神经元）以及相应的非线性关系组成。

神经网络中的节点通常会接受多个输入值，并生成一个输出值。神经元会将激活函数（非线性转换）应用于输入值的加权和，以计算输出值。

有关神经网络的更多信息，请参阅神经网络：结构。

目标

在本实验中，您将学习如何完成以下操作：

  • 设计、编译、训练和评估 Tensorflow 模型
  • 保存并加载模型
  • 编写自己的回调，以在训练期间自定义模型行为
  • 完成一系列练习，根据指导，对神经网络的不同层进行实验

设置和要求

点击“开始实验”按钮前的注意事项

请阅读以下说明。实验是计时的，并且您无法暂停实验。计时器在您点击开始实验后即开始计时，显示 Google Cloud 资源可供您使用多长时间。

此实操实验可让您在真实的云环境中开展实验活动，免受模拟或演示环境的局限。我们会为您提供新的临时凭据，让您可以在实验规定的时间内用来登录和访问 Google Cloud。

为完成此实验，您需要：

  • 能够使用标准的互联网浏览器（建议使用 Chrome 浏览器）。
注意：请使用无痕模式或无痕浏览器窗口运行此实验。这可以避免您的个人账号与学生账号之间发生冲突，这种冲突可能导致您的个人账号产生额外费用。
  • 完成实验的时间 - 请注意，实验开始后无法暂停。
注意：如果您已有自己的个人 Google Cloud 账号或项目，请不要在此实验中使用，以避免您的账号产生额外的费用。

任务 1. 在 Vertex AI Workbench 中打开笔记本

  1. 在 Google Cloud 控制台的导航菜单 (“导航菜单”图标) 中依次点击 Vertex AI > Workbench。

  2. 找到 实例，然后点击打开 JupyterLab 按钮。

Workbench 实例的 JupyterLab 界面会在新浏览器标签页中打开。

安装 TensorFlow 和其他软件包

  1. 在“启动器”菜单的其他下，选择终端。

  2. 检查是否已配置 Python 环境。复制以下命令并将其粘贴到终端中。

python --version

输出示例：

Python 3.10.14
  1. 运行以下命令以安装 TensorFlow 软件包。
pip3 install tensorflow
  1. 如需升级 pip3，请在终端中运行以下命令。
pip3 install --upgrade pip

Pylint 是一款用于检查 Python 代码错误的工具，它可以突出显示 Python 源代码中的语法和格式问题。

  1. 运行以下命令以安装 pylint 软件包。
pip install -U pylint --user
  1. 安装 requirements.txt 文件中实验所需的软件包：
pip install -r requirements.txt

现在，您的环境已设置完毕！

任务 2. 创建新笔记本并导入库

  1. 点击 Workbench 左侧的 + 图标以打开新的启动器。

  2. 在“启动器”菜单的笔记本下，选择 Python3。

新的笔记本文件

系统会显示一个新的 Jupyter 笔记本。如需详细了解如何使用 Jupyter 笔记本，请参阅 Jupyter 笔记本文档。

  1. 为 Cloud Logging 导入并配置 logging 和 google-cloud-logging。在第一个单元中，添加以下代码：
# Import and configure logging import logging import google.cloud.logging as cloud_logging from google.cloud.logging.handlers import CloudLoggingHandler from google.cloud.logging_v2.handlers import setup_logging cloud_logger = logging.getLogger('cloudLogger') cloud_logger.setLevel(logging.INFO) cloud_logger.addHandler(CloudLoggingHandler(cloud_logging.Client())) cloud_logger.addHandler(logging.StreamHandler())
  1. 导入 tensorflow 以训练和评估模型。为了便于使用，将其命名为 tf。在第一个单元中添加以下代码。
# Import TensorFlow import tensorflow as tf
  1. 导入 numpy 来解析数据，以进行调试。为便于使用，将其命名为 np。在第一个单元中添加以下代码。
# Import numpy import numpy as np
  1. 在第一个单元中添加以下代码，以导入 tensorflow_datasets 来集成数据集。TensorFlow Datasets 是一系列可用于 TensorFlow 的数据集的集合。
如需详细了解如何使用该数据集集合，请参阅相应指南和数据集列表。 # Import tensorflow_datasets import tensorflow_datasets as tfds

  1. 如需运行该单元，请点击运行按钮或按 Shift + Enter。

  2. 保存笔记本。依次点击文件 -> 保存。将该文件命名为 model.ipynb，然后点击确定。

任务 3. 加载并预处理数据集

关于数据集

您将训练一个神经网络，并用其对名为 Fashion MNIST 的数据集中的服饰图像进行分类。

该数据集包含来自 10 个不同服饰类别的共 70,000 件服饰。这些图像以较低的分辨率（28x28 像素）显示了各件服饰，如下方所示：

2c4b51c68ec17b3b.png

本实验将使用 60,000 张图像来训练神经网络，然后使用 10,000 张图像来评估在完成学习后，该网络在图像分类方面能够达到的准确率。

您可以在 tensorflow datasets (tfds) 中获得 Fashion MNIST 数据。

加载数据集

如需加载 Fashion MNIST 数据，请使用 tfds.load() 函数。

  1. 在笔记本的第二个单元中添加以下代码：
# Define, load and configure data (ds_train, ds_test), info = tfds.load('fashion_mnist', split=['train', 'test'], with_info=True, as_supervised=True)

在上面的代码中，您通过设置 split 参数来指定要加载的数据集分块。您还将 as_supervised 设置为 True，以确保所加载的 tf.data.Dataset 具有 2 元组结构 (input, label)。

ds_train 和 ds_test 均属于 tf.data.Dataset 类型。ds_train 包含 60,000 张图像，将用于训练模型。ds_test 包含 10,000 张图像，将用于评估模型。

如需详细了解 tfds.load() 及其参数，请查看相应指南。

这些值具体是什么样的？

  1. 接下来添加 print 语句，以查看批次为 0 的训练图像的最小值和最大值。在第二个单元中添加以下代码：
# Values before normalization image_batch, labels_batch = next(iter(ds_train)) print("Before normalization ->", np.min(image_batch[0]), np.max(image_batch[0]))

数据预处理

  1. 批次大小是机器学习中使用的一个术语，指一次迭代中使用的训练示例数量。将此值设置为 32。

在 model.ipynb 中添加以下代码，以指定批次大小：

# Define batch size BATCH_SIZE = 32
  1. 在训练神经网络时，出于各种原因，将像素值缩放至 0 到 1 之间会更便于训练。此过程称为“归一化”。由于 FashionMNIST 数据集的像素值在 [0, 255] 范围内，因此需要将像素值除以 255.0，以便对图像进行归一化处理。

下方提供的代码使用 tf.data.Dataset 的 map() 函数对 ds_train 和 ds_test 中的图像进行了归一化处理。由于像素值属于 tf.uint8 类型，因此使用了 tf.cast 函数将其转换为 tf.float32 类型，然后再除以 255.0。此外，还以 BATCH_SIZE 为参数调用了 batch() 方法，以便将数据集转换为批次。

如需详细了解可用于 tf.data.Dataset 的所有方法，请点击此处。

将以下代码添加到文件末尾：

# Normalize and batch process the dataset ds_train = ds_train.map(lambda x, y: (tf.cast(x, tf.float32)/255.0, y)).batch(BATCH_SIZE) ds_test = ds_test.map(lambda x, y: (tf.cast(x, tf.float32)/255.0, y)).batch(BATCH_SIZE)
  1. 再次添加 print 语句，以查看训练数据集中图像的最小值和最大值：

将以下代码添加到文件末尾：

# Examine the min and max values of the batch after normalization image_batch, labels_batch = next(iter(ds_train)) print("After normalization ->", np.min(image_batch[0]), np.max(image_batch[0]))

任务 4. 设计、编译和训练模型

在本部分，您将使用 TensorFlow 来设计模型。

  1. 在文件中添加以下代码：
# Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])

我们来看一下在模型架构中使用的不同类型的层和参数：

  • Sequential：用于定义神经网络中的层序列。

  • Flatten：我们的图像形状为 (28, 28)，即值呈方形矩阵形式。Flatten 会将此方形矩阵作为输入，并将其转换为一维向量。

  • Dense：增加一层神经元。

每一层神经元都需要有一个激活函数，该函数用于决定是否应激活神经元。此类函数有很多，本实验中使用的是以下函数。

  • Relu 的作用是：如果 X>0，则返回 X，否则返回 0。该函数会将 0 或更大值传递到网络中的下一层。
  • Softmax 会接受一组值并挑选出最大值，因此您无需排序即可找到最大值。例如，如果最后一层的输出为 [0.1, 0.1, 0.05, 0.1, 9.5, 0.1, 0.05, 0.05, 0.05]，则它会返回 [0,0,0,0,1,0,0,0,0]。

编译和训练模型

在本部分，您需要先使用优化器和损失函数来编译模型，然后再基于训练数据和标签来训练模型。

目标是让模型找出训练数据与其标签之间的关系。训练完成后，您需要让模型查看与训练数据相似的新服饰图像，并预测它们所属的服饰类别。

优化器是编译 tf.keras 模型所需的两个参数之一。优化器 (optimizer) 是一种可修改神经网络属性（如权重和学习速率）的算法，它有助于降低损失并提高准确率。

如需详细了解 tf.keras 中可用的不同类型的优化器，请点击此处。

损失 (loss) 以数字形式表示模型的表现。如果模型表现较好，损失会表示为一个较小的数字。反之，损失则会表示为一个较大的数字。

如需详细了解 tf.keras 中可用的不同类型的损失函数，请点击此处。

请注意 metrics= 参数。通过该参数，TensorFlow 可将预测结果与已知答案（标签）进行比较，以报告每个训练周期完成后预测的准确率。简单来说，就是报告训练的实际进展情况。

如需详细了解“tf.keras”中可用的不同类型的指标，请点击此处。

Model.fit 将对模型训练固定数量的周期。

  1. 在文件中添加以下代码：
# Compile the model model.compile(optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(), loss = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(), metrics=[tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()]) model.fit(ds_train, epochs=5)

点击“检查我的进度”，验证已完成以下目标： 创建机器学习模型

运行代码

  1. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行第二个单元。

执行该笔记本单元后，系统会报告每个周期（或每一遍）训练完成后的损失和准确率。请注意，每个周期（或每一遍）训练完成后，准确率都会有所提高：

输出示例（您获得的值可能会略有不同，请忽略任何警告消息）：

Before normalization -> 0 227 After normalization -> 0.0 1.0 Epoch 1/5 1875/1875 [==============================] - 12s 6ms/step - loss: 0.5264 - sparse_categorical_accuracy: 0.8175 Epoch 2/5 1875/1875 [==============================] - 6s 3ms/step - loss: 0.3977 - sparse_categorical_accuracy: 0.8580 Epoch 3/5 1875/1875 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 0.3585 - sparse_categorical_accuracy: 0.8701 Epoch 4/5 1875/1875 [==============================] - 5s 2ms/step - loss: 0.3329 - sparse_categorical_accuracy: 0.8784 Epoch 5/5 1875/1875 [==============================] - 5s 2ms/step - loss: 0.3151 - sparse_categorical_accuracy: 0.8846

对于 # Values before normalization 部分的输出，您会发现最小值和最大值在 [0, 255] 范围内。进行归一化处理后，您可以看到所有值都在 [0, 1] 范围内。

随着训练继续进行，损失将会降低，准确率则会提高。

模型完成训练后，您会在最后一个周期结束时看到准确率值。该值可能接近上面的 0.8846（您获得的准确率值可能会有所不同）。

这表明，神经网络对训练数据进行分类的准确率约为 89%。换言之，它可以找出图像与标签之间的模式匹配，成功率达到 89%。这个表现不是很好，但考虑到它只是基于一个小型神经网络进行了 5 个周期的训练，所以表现也不能算差。

任务 5. 评估模型针对未曾见过的数据的表现

对于未曾见过的数据，模型会有何种表现呢？

测试集可以帮助我们回答这个问题。您可以调用 model.evaluate，传入两个测试集，模型便会报告每个测试集的损失。

评估测试集：

  1. 在笔记本的第三个单元中添加以下代码：
cloud_logger.info(model.evaluate(ds_test))
  1. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行该单元。

滚动到输出底部后，您可以在最后一行看到评估结果。

Before normalization -> 0 227 After normalization -> 0.0 1.0 Epoch 1/5 1875/1875 [==============================] - 12s 6ms/step - loss: 0.5264 - sparse_categorical_accuracy: 0.8175 Epoch 2/5 1875/1875 [==============================] - 6s 3ms/step - loss: 0.3977 - sparse_categorical_accuracy: 0.8580 Epoch 3/5 1875/1875 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 0.3585 - sparse_categorical_accuracy: 0.8701 Epoch 4/5 1875/1875 [==============================] - 5s 2ms/step - loss: 0.3329 - sparse_categorical_accuracy: 0.8784 Epoch 5/5 1875/1875 [==============================] - 5s 2ms/step - loss: 0.3151 - sparse_categorical_accuracy: 0.8846 313/313 [==============================] - 1s 4ms/step - loss: 0.3653 - sparse_categorical_accuracy: 0.8708 INFO:cloudLogger:[0.36530008912086487, 0.8708000183105469]

模型针对测试集 (ds_test) 报告的准确率为 0.8708，即准确率约为 87%（您获得的值可能会略有不同）。

正如预期的那样，模型处理未知数据的准确率不像处理训练数据时那么高！

更深入地探索 TensorFlow 以后，您将了解如何改进这个方面。

点击“检查我的进度”以验证是否完成了以下目标： 使用模型

任务 6. 保存并加载模型

无论是训练期间还是训练之后，您都可以保存模型进度。这意味着，您可以从上次暂停的地方继续训练模型，从而避免长时间训练。可保存模型进度还意味着，您可以分享模型，以便他人基于您的工作成果进行“再创作”。在第一个练习中，您将添加必要的代码来保存并加载模型。

整个模型可以保存为两种不同的文件格式（SavedModel 和 Keras）。TensorFlow SavedModel 格式是 TF2.x 中的默认文件格式，但模型也可以保存为 Keras 格式。您将详细了解如何以这两种文件格式保存模型。
  1. 在笔记本的第四个单元中添加以下代码：
# Save the entire model as a Keras model using .keras format model.save('saved_model.keras') # Load the model using custom_objects to handle the custom activation function new_model = tf.keras.models.load_model('saved_model.keras', custom_objects={'softmax_v2': tf.keras.activations.softmax}) # Summary of loaded SavedModel new_model.summary() # Save the entire model to a keras file. model.save('my_model.keras') # Recreate the exact same model, including its weights and the optimizer new_model_keras = tf.keras.models.load_model('my_model.keras', custom_objects={'softmax_v2': tf.keras.activations.softmax}) # Summary of loaded keras model new_model_keras.summary()

上面的代码展示了如何以两种不同的格式保存模型，以及如何重新加载保存的模型。您可以根据自己的应用场景选择其中任何一种格式。如需详细了解此功能，请参阅有关如何“保存和加载模型”的 TensorFlow 文档。

  1. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行该单元。

在输出结果末尾，您会看到两组模型摘要。第一组显示的是模型以 SavedModel 格式保存后的摘要。第二组显示的是模型以 h5 格式保存后的摘要。

可以看到，两组模型摘要是相同的，因为我们实际上是以两种不同格式保存了同一模型。

Model: "sequential" _________________________________________________________________ Layer (type) Output Shape Param # ================================================================= flatten (Flatten) (None, 784) 0 dense (Dense) (None, 64) 50240 dense_1 (Dense) (None, 10) 650 ================================================================= Total params: 50,890 Trainable params: 50,890 Non-trainable params: 0 _________________________________________________________________ Model: "sequential" _________________________________________________________________ Layer (type) Output Shape Param # ================================================================= flatten (Flatten) (None, 784) 0 dense (Dense) (None, 64) 50240 dense_1 (Dense) (None, 10) 650 ================================================================= Total params: 50,890 Trainable params: 50,890 Non-trainable params: 0 _________________________________________________________________

点击“检查我的进度”以验证是否完成了以下目标： 保存并加载模型

任务 7. 探索回调

在之前训练模型时，您应该已经注意到，随着训练的进行，模型的损失会降低，准确率则会提高。达到所需的训练准确率和损失后，您可能仍需等待一段时间才能完成训练。

您可能会想，“为何不能在模型达到期望的准确率值后就停止训练呢？”

例如，如果 95% 的准确率已足够好，且模型在经过 3 个训练周期后就成功实现这一目标，那为何还要坐等模型完成更多训练周期呢？

答案是：为了进行回调！

回调是一种强大的工具，可用于在训练、评估或推理期间自定义 Keras 模型的行为。您可以定义一个回调，让模型针对训练集达到所需准确率后便立即停止训练。

请尝试运行以下代码，看看如果设置一个在准确率达到 84% 后就停止训练的回调会发生什么情况：

  1. 打开启动器，选择 Python3 来新建一个 Jupyter 笔记本。

  2. 将该文件保存为 callback_model.ipynb。

  3. 将以下代码粘贴到 callback_model.ipynb 的第一个单元中：

# Import and configure logging import logging import google.cloud.logging as cloud_logging from google.cloud.logging.handlers import CloudLoggingHandler from google.cloud.logging_v2.handlers import setup_logging exp_logger = logging.getLogger('expLogger') exp_logger.setLevel(logging.INFO) exp_logger.addHandler(CloudLoggingHandler(cloud_logging.Client(), name="callback")) # Import tensorflow_datasets import tensorflow_datasets as tfds # Import numpy import numpy as np # Import TensorFlow import tensorflow as tf # Define Callback class myCallback(tf.keras.callbacks.Callback): def on_epoch_end(self, epoch, logs={}): if(logs.get('sparse_categorical_accuracy')>0.84): exp_logger.info("\nReached 84% accuracy so cancelling training!") self.model.stop_training = True callbacks = myCallback() # Define, load and configure data (ds_train, ds_test), info = tfds.load('fashion_mnist', split=['train', 'test'], with_info=True, as_supervised=True) # Define batch size BATCH_SIZE = 32 # Normalizing and batch processing of data ds_train = ds_train.map(lambda x, y: (tf.cast(x, tf.float32)/255.0, y)).batch(BATCH_SIZE) ds_test = ds_test.map(lambda x, y: (tf.cast(x, tf.float32)/255.0, y)).batch(BATCH_SIZE) # Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)]) # Compile data model.compile(optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(), loss = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(), metrics=[tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()]) model.fit(ds_train, epochs=5, callbacks=[callbacks])

  1. 按 Ctrl + S 或前往文件 > 保存笔记本，以保存所做更改。

  2. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行代码。

请注意，训练在几个周期后便已取消。

点击“检查我的进度”以验证是否完成了以下目标： 探索回调

任务 8. 对模型进行实验

在本部分，您将对神经网络的不同层进行实验。

练习 1

在本练习中，您将探索模型中的各个层。如果改变神经元的数量，会发生什么情况？

  1. 打开启动器，选择 Python3 来新建一个 Jupyter 笔记本。

  2. 将该文件保存为 updated_model.ipynb。

  3. 将以下代码粘贴到 updated_model.ipynb 的第一个单元中：

# Import and configure logging import logging import google.cloud.logging as cloud_logging from google.cloud.logging.handlers import CloudLoggingHandler from google.cloud.logging_v2.handlers import setup_logging up_logger = logging.getLogger('upLogger') up_logger.setLevel(logging.INFO) up_logger.addHandler(CloudLoggingHandler(cloud_logging.Client(), name="updated")) # Import tensorflow_datasets import tensorflow_datasets as tfds # Import numpy import numpy as np # Import TensorFlow import tensorflow as tf # Define, load and configure data (ds_train, ds_test), info = tfds.load('fashion_mnist', split=['train', 'test'], with_info=True, as_supervised=True) # Define batch size BATCH_SIZE = 32 # Normalizing and batch processing of data ds_train = ds_train.map(lambda x, y: (tf.cast(x, tf.float32)/255.0, y)).batch(BATCH_SIZE) ds_test = ds_test.map(lambda x, y: (tf.cast(x, tf.float32)/255.0, y)).batch(BATCH_SIZE) # Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)]) # Compile data model.compile(optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(), loss = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(), metrics=[tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()]) model.fit(ds_train, epochs=5) # Logs model summary model.summary(print_fn=up_logger.info)
  1. 对密集层设置不同的值来进行实验。

前往 # Define the model 部分，将神经元数量从 64 个更改为 128 个：

# Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(128, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])

  1. 按 Ctrl + S 或前往文件 > 保存笔记本，以保存所做更改。

  2. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行代码。

对于损失、训练时间等数据，您得到了哪些不同结果？您认为原因是什么？

增加到 128 个神经元后，您需要进行更多计算，而这会减慢训练过程。在本例中，增加神经元产生了积极影响，因为模型准确率得到提高。但并非所有情况下都是“越多越好”。您很快就会经历回报递减规律。

点击“检查我的进度”以验证是否完成了以下目标： 练习 1

练习 2

请考虑一下在网络中额外添加一些层所产生的影响。如果在两个密集层之间额外添加一层，会发生什么情况？

  1. 在 updated_model.ipynb 的 # Define the model 部分添加一层。

将模型定义替换为以下内容：

# Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])

  1. 按 Ctrl + S 或前往文件 > 保存笔记本，以保存所做更改。

  2. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行代码。

得到的答案是：没有显著影响，因为这是相对简单的数据。对于更复杂的数据，通常需要添加额外层。

点击“检查我的进度”以验证是否完成了以下目标： 练习 2

练习 3

在训练模型之前，您对像素值进行了归一化，使其保持在 [0, 1] 范围内。如果去除归一化，让这些值处于 [0, 255] 范围内（就像它们最初在数据集中那样），会有什么影响？

  1. 来试试吧！在 # Define, load and configure data 中，移除同时应用于训练数据集和测试数据集的映射函数。
# Define, load and configure data (ds_train, ds_test), info = tfds.load('fashion_mnist', split=['train', 'test'], with_info=True, as_supervised=True) # Define batch size BATCH_SIZE = 32 # Normalizing and batch processing of data ds_train = ds_train.batch(BATCH_SIZE) ds_test = ds_test.batch(BATCH_SIZE) # Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])
  1. 在单元末尾添加以下代码，以列显批次 0 中第一个图像的最大值。在未进行归一化的情况下，最大值将在 [0, 255] 范围内。
# Print out max value to see the changes image_batch, labels_batch = next(iter(ds_train)) t_image_batch, t_labels_batch = next(iter(ds_test)) up_logger.info("training images max " + str(np.max(image_batch[0]))) up_logger.info("test images max " + str(np.max(t_image_batch[0])))
  1. 最终的 updated_model.ipynb 将如下所示：
# Import and configure logging import logging import google.cloud.logging as cloud_logging from google.cloud.logging.handlers import CloudLoggingHandler from google.cloud.logging_v2.handlers import setup_logging up_logger = logging.getLogger('upLogger') up_logger.setLevel(logging.INFO) up_logger.addHandler(CloudLoggingHandler(cloud_logging.Client(), name="updated")) # Import tensorflow_datasets import tensorflow_datasets as tfds # Import numpy import numpy as np # Import TensorFlow import tensorflow as tf # Define, load and configure data (ds_train, ds_test), info = tfds.load('fashion_mnist', split=['train', 'test'], with_info=True, as_supervised=True) # Define batch size BATCH_SIZE = 32 # Normalizing and batch processing of data ds_train = ds_train.batch(BATCH_SIZE) ds_test = ds_test.batch(BATCH_SIZE) # Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)]) # Compile data model.compile(optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(), loss = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(), metrics=[tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()]) model.fit(ds_train, epochs=5) # Logs model summary model.summary(print_fn=up_logger.info) # Print out max value to see the changes image_batch, labels_batch = next(iter(ds_train)) t_image_batch, t_labels_batch = next(iter(ds_test)) up_logger.info("training images max " + str(np.max(image_batch[0]))) up_logger.info("test images max " + str(np.max(t_image_batch[0])))

  1. 按 Ctrl + S 或前往文件 > 保存笔记本，以保存所做更改。

  2. 点击运行按钮或按 Shift + Enter，以运行代码。

# Print out max value to see the changes 的预期输出

INFO:upLogger:training images max 255 INFO:upLogger:test images max 255

完成训练周期后，您可以看到未进行归一化时准确率发生的变化。

您认为准确率为何会发生这种变化？

点击此处可查看 Stack Overflow 上的最佳答案。

点击“检查我的进度”以验证是否完成了以下目标： 练习 3

练习 4

如果移除 Flatten() 层会发生什么情况？为什么会这样？

快来试试吧：

  1. 在 # Define the model 部分移除 tf.keras.layers.Flatten()：
# Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])
  1. 保存并运行 updated_model.ipynb 中的该单元。

您会收到有关数据形状的错误。这是正常现象。

虽然该错误的详细信息目前看起来并不明确，但这进一步证实了一个经验法则，即网络中的第一层应与数据的形状保持一致。目前，输入图像的形状为 28x28，但使用包含 28 层、每层 28 个神经元的神经网络是不切实际的。因此，将 28,28 展平为 784x1 会更合理。

您无需自己编写所有代码来处理此问题，只需在开头添加 Flatten() 层即可。稍后，当您将数组加载到模型中以后，系统会自动展平这些数组。

练习 5

请注意最后一层（即输出层）。为什么最后一层有 10 个神经元？如果神经元数量不是 10 个，会发生什么情况？

将神经元数量改为 5 个，然后再训练神经网络，看看会有哪些变化。

  1. 将 # Define the model 部分替换为以下内容，以撤消您在上一部分所做的更改：
# Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])
  1. 将最后一层的神经元数量从 10 个改为 5 个：
# Define the model model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(), tf.keras.layers.Dense(64, activation=tf.nn.relu), tf.keras.layers.Dense(5, activation=tf.nn.softmax)])
  1. 保存并运行 updated_model.ipynb 中的该单元。

具体变化：一旦发现意外值，就会出现错误。

另一个经验法则是，最后一层的神经元数量应与您要分类的类别数量保持一致。在本例中，类别为数字 0-9，所以共有 10 个类别，因此最后一层应有 10 个神经元。

恭喜！

恭喜！在本实验中，您学习了如何设计、编译、训练和评估 Tensorflow 模型。您还学习了如何保存并加载模型，以及如何通过编写自己的回调，在训练期间自定义模型行为。最后，您完成了一系列练习，以便对神经网络的不同层进行实验。

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上次更新手册的时间：2024 年 9 月 12 日

上次测试实验的时间：2024 年 9 月 12 日

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