03-鸢尾花分类问题（120个样本的实验）

文章目录

1. 环境配置及数据集准备
2. 创建一个 tf.data.Dataset
3. 选择模型类型
4. 使用keras创建模型
5. 训练模型
- 5.1 定义损失和梯度函数
- 5.2 创建优化器
- 5.3 训练循环
- 5.4 建立测试数据集
- 5.5 根据测试数据集评估模型
- 5.6 使用经过训练的模型进行预测

1. 环境配置及数据集准备

import os
import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow as tf# 默认情况下，TensorFlow 用 eager execution 来实时评估操作, 返回具体值而不是建立一个稍后执行的计算图。
# print("TensorFlow version: {} ".format(tf.__version__))  # TensorFlow version: 2.6.2
# print("Eager execution: {} " .format(tf.executing_eagerly()))  # Eager execution: True

**我们将根据鸢尾花花萼和花瓣的长度和宽度对其进行分类。鸢尾属约有 300 个品种，但我们的程序将仅对下列三个品种进行分类：山鸢尾、维吉尼亚鸢尾、变色鸢尾。**我们导入和解析训练数据集，下载别人已创建了一个包含有花萼和花瓣的测量值的120 株鸢尾花的数据集。

使用 tf.keras.utils.get_file 函数下载训练数据集文件。该函数的作用主要是直接从URL下载资源：fname: 文件名。如果指定了绝对路径，那么文件将会保存到那个路径。origin: 文件的原始 URL。

train_dataset_url = "https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/iris_training.csv"
# 使用 tf.keras.utils.get_file 函数下载训练数据集文件。该函数会返回下载文件的文件路径：
train_dataset_fp = tf.keras.utils.get_file(fname=os.path.basename(train_dataset_url), origin=train_dataset_url)
print("Local copy of the dataset file: {}".format(train_dataset_fp))

数据集 iris_training.csv 是一个纯文本文件，其中存储了逗号分隔值 (CSV) 格式的表格式数据。我们在控制台使用 head -n5 命令查看前 5 个条目：

我们可以从该数据集视图中注意到以下信息：

**第一行是表头，其中包含数据集信息：**数据集共有 120 个样本。每个样本都有四个特征和一个标签名称，标签名称有三种可能。
后面的行是数据记录，每个样本各占一行。其中前四个字段是特征：这四个字段代表的是样本的特点。在此数据集中，这些字段存储的是代表花卉测量值的浮点数。最后一列是标签，即我们想要预测的值。对于此数据集，该值为 0、1 或 2 中的某个整数值（每个值分别对应一个花卉名称）。

我们用代码表示出来：

# 花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度
column_names = ['sepal_length', 'sepal_width', 'petal_length', 'petal_width', 'species']feature_names = column_names[:-1]
label_name = column_names[-1]print("Features: {}".format(feature_names))  # Features: ['sepal_length', 'sepal_width', 'petal_length', 'petal_width']
print("Label: {}".format(label_name))  # Label: species

每个标签都分别与一个字符串名称（例如 “setosa” ）相关联，但机器学习通常依赖于数字值。标签编号会映射到一个指定的表示法，例如0代表山鸢尾、1代表变色鸢尾、2代表维吉尼亚鸢尾。

class_names = ['Iris setosa', 'Iris versicolor', 'Iris virginica']

2. 创建一个 tf.data.Dataset

由于数据集是 CSV 格式的文本文件，请使用 make_csv_dataset 函数将数据解析为合适的格式。由于此函数为训练模型生成数据，默认行为是对数据进行随机处理（shuffle=True, shuffle_buffer_size=10000），并且无限期重复数据集（num_epochs=None）。我们还设置了 batch_size 参数：

batch_size = 32train_dataset = tf.data.experimental.make_csv_dataset(train_dataset_fp,batch_size,column_names=column_names,label_name=label_name,num_epochs=None
)

make_csv_dataset 返回一个(features, label) 对构建的 tf.data.Dataset ，其中 features 是一个字典: {'feature_name': value}。
这些 Dataset 对象是可迭代的。我们来看看下面的一些特征：

features, labels = next(iter(train_dataset))
print("features:", features)
print("labels:", labels)

注意到具有相似特征的样本会归为一组，即分为一批。更改 batch_size 可以设置存储在这些特征数组中的样本数。
绘制该批次中的几个特征后，就会开始看到一些集群现象：

plt.scatter(features['petal_length'],  # 输入数据features['sepal_length'],  # 输入数据c=labels,  # 表示的是色彩或颜色序列cmap='viridis'  # Colormap，标量或者是一个colormap的名字： cmap="viridis"：黄到蓝
)
plt.xlabel("Petal length")
plt.ylabel("Sepal lenght")
plt.show()

再看一下width的可视化：

补充：关于cmap的参数设置可以参考：https://blog.csdn.net/ztf312/article/details/102474190

要简化模型构建步骤，请创建一个函数以将特征字典重新打包为形状为 (batch_size, num_features) 的单个数组。此函数使用 tf.stack 方法，该方法从张量列表中获取值，并创建指定维度的组合张量：

def pack_features_vector(features, labels):"""Pack the features into a single array."""features = tf.stack(list(features.values()), axis=1)return features, labels

然后使用 tf.data.Dataset.map 方法将每个 (features,label) 对中的 features 打包到训练数据集中。那么，Dataset 的特征元素被构成了形如 (batch_size, num_features) 的数组。

train_dataset = train_dataset.map(pack_features_vector)
features, labels = next(iter(train_dataset))print(features[:5])
print("features shape: ", features.shape)  # (32, 4)

上述处理可以得到如下结果：

3. 选择模型类型

我们需要选择要进行训练的模型类型。模型具有许多类型，挑选合适的类型需要一定的经验。本教程使用神经网络来解决鸢尾花分类问题。**神经网络可以发现特征与标签之间的复杂关系。**神经网络是一个高度结构化的图，其中包含一个或多个隐含层。每个隐含层都包含一个或多个神经元。神经网络有多种类别，该程序使用的是密集型神经网络，也称为全连接神经网络 : 一个层中的神经元将从上一层中的每个神经元获取输入连接。例如，图 2 显示了一个密集型神经网络，其中包含 1 个输入层、2 个隐藏层以及 1 个输出层：

当图 2 中的模型经过训练并获得无标签样本后，它会产生 3 个预测结果：相应鸢尾花属于指定品种的可能性。这种预测称为推理。对于该示例，输出预测结果的总和是 1.0。在图 2 中，该预测结果分解如下：山鸢尾为 0.02，变色鸢尾为 0.95，维吉尼亚鸢尾为 0.03。这意味着该模型预测某个无标签鸢尾花样本是变色鸢尾的概率为 95％。

4. 使用keras创建模型

tf.keras.Sequential 模型是层的线性堆叠。该模型的构造函数会采用一系列层实例；在本示例中，采用的是 2 个密集层（各自包含10个节点），以及 1 个输出层（包含 3 个代表标签预测的节点。第一个层的 input_shape 参数对应该数据集中的特征数量，它是一项必需参数：

model = tf.keras.Sequential([tf.keras.layers.Dense(10, activiation=tf.nn.relu, input_shape=(4,)),tf.keras.layers.Dense(10, activiation=tf.nn.relu),tf.keras.layers.Dense(3)
])

激活函数可决定层中每个节点的输出形式。 这些非线性关系很重要，如果没有它们，模型将等同于单个层。激活函数有很多种，但隐藏层通常使用 ReLU。

**隐藏层和神经元的理想数量取决于问题和数据集。**与机器学习的多个方面一样，选择最佳的神经网络形状需要一定的知识水平和实验基础。一般来说，增加隐藏层和神经元的数量通常会产生更强大的模型，而这需要更多数据才能有效地进行训练。

我们快速了解一下此模型如何处理一批特征：

predictions = model(features)
print(predictions[:5])

输出结果为：

在此示例中，每个样本针对每个类别返回一个 logit。要将这些对数转换为每个类别的概率，请使用 softmax 函数：

对每个类别执行tf.argmax运算可得出预测的类别索引：根据axis取值（axis=0时比较每一列的元素，将每一列最大元素所在的索引记录下来，最后输出每一列最大元素所在的索引数组；axis=1时比较每一行的元素……）的不同返回每行或者每列最大值的索引。不过，该模型尚未接受训练，因此这些预测并不理想。

print("Predictions: {}".format(tf.argmax(predictions, axis=1)))
print("     Labels: {}".format(labels))

输出结果为：

5. 训练模型

训练是一个机器学习阶段，==在此阶段中，模型会逐渐得到优化，也就是说，模型会了解数据集。==目标是充分了解训练数据集的结构，以便对未见过的数据进行预测。如果您从训练数据集中获得了过多的信息，预测便会仅适用于模型见过的数据，但是无法泛化。此问题被称之为过拟合—就好比将答案死记硬背下来，而不去理解问题的解决方式。
鸢尾花分类问题是监督式机器学习的一个示例: 模型通过包含标签的样本加以训练。 ==而在非监督式机器学习中，样本不包含标签。==相反，模型通常会在特征中发现一些规律。

5.1 定义损失和梯度函数

在训练和评估阶段，我们都需要计算模型的损失。这样可以衡量模型的预测结果与预期标签有多大偏差，也就是说，模型的效果有多差。我们希望尽可能减小或优化这个值。
我们的模型会使用 tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy 函数计算其损失，此函数会接受模型的类别概率预测结果和预期标签，然后返回样本的平均损失。

# 本质上就是交叉熵函数。from_logits:True就是需要经过softmax进行概率化
loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True)def loss(model, x, y, training):y_ = model(x, training=training)return loss_object(y_true=y, y_pred=y_)l = loss(model, features, labels, training=False)
print("Loss test: {}".format(l))

使用tf.GradientTape的前后关系来计算梯度以优化你的模型。GradientTape 可以理解为“梯度流记录磁带”。
GradientTape 的详细解释参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/102207302

def grad(model, inputs, targets):with tf.GradientTape() as tape:loss_value = loss(model, inputs, targets, training=True)return loss_value, tape.gradient(loss_value, model.trainable_variables)

5.2 创建优化器

优化器会将计算出的梯度应用于模型的变量，以使 loss 函数最小化。您可以将损失函数想象为一个曲面（如下图的优化算法在三维空间中随时间推移而变化的可视化效果），==我们希望通过到处走动找到该曲面的最低点。==梯度指向最高速上升的方向，因此我们将沿相反的方向向下移动。我们以迭代方式计算每个批次的损失和梯度，以在训练过程中调整模型。模型会逐渐找到权重和偏差的最佳组合，从而将损失降至最低。损失越低，模型的预测效果就越好。

TensorFlow有许多可用于训练的优化算法。此模型使用的是 tf.train.GradientDescentOptimizer ，它可以实现随机梯度下降法（SGD）。learning_rate 被用于设置每次迭代（向下行走）的步长。这是一个超参数，我们通常需要调整此参数以获得更好的结果。

我们来设置优化器：

optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.01)

我们将使用它来计算单个优化步骤：

loss_value, grads = grad(model, features, labels)
print("Step: {}, Initial Loss: {}".format(optimizer.iterations.numpy(),loss_value.numpy()))
optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_variables))
print("Step: {},         Loss: {}".format(optimizer.iterations.numpy(),loss(model, features, labels, training=True).numpy()))

运行结果为：

5.3 训练循环

一切准备就绪后，就可以开始训练模型了！训练循环会将数据集样本馈送到模型中，以帮助模型做出更好的预测。以下代码块可设置这些训练步骤：

迭代每个周期。通过一次数据集即为一个周期。
在一个周期中，遍历训练 Dataset 中的每个样本，并获取样本的特征（x）和标签（y）。
根据样本的特征进行预测，并比较预测结果和标签。衡量预测结果的不准确性，并使用所得的值计算模型的损失和梯度。
使用 optimizer 更新模型的变量。
跟踪一些统计信息以进行可视化。
对每个周期重复执行以上步骤。

num_epochs 变量是遍历数据集集合的次数。与直觉恰恰相反的是，训练模型的时间越长，并不能保证模型就越好。num_epochs 是一个可以调整的超参数。选择正确的次数通常需要一定的经验和实验基础。

## Note: Rerunning this cell uses the same model variables# Keep results for plotting
train_loss_results = []
train_accuracy_results = []num_epochs = 201for epoch in range(num_epochs):epoch_loss_avg = tf.keras.metrics.Mean()epoch_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()# Training loop - using batches of 32for x, y in train_dataset:# Optimize the modelloss_value, grads = grad(model, x, y)optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_variables))# Track progressepoch_loss_avg.update_state(loss_value)  # Add current batch loss# Compare predicted label to actual label# training=True is needed only if there are layers with different# behavior during training versus inference (e.g. Dropout).epoch_accuracy.update_state(y, model(x, training=True))# End epochtrain_loss_results.append(epoch_loss_avg.result())train_accuracy_results.append(epoch_accuracy.result())if epoch % 50 == 0:print("Epoch {:03d}: Loss: {:.3f}, Accuracy: {:.3%}".format(epoch, epoch_loss_avg.result(),  epoch_accuracy.result()))

可视化损失函数随时间推移而变化的情况：
虽然输出模型的训练过程有帮助，但查看这一过程往往更有帮助。 TensorBoard 是与 TensorFlow 封装在一起的出色可视化工具，不过我们可以使用 matplotlib 模块创建基本图表。我们可以看到，损失函数随着epoch的增加而减少，准确率随着epoch的增加而增加。

fig, axes = plt.subplots(2, sharex=True, figsize=(12, 8))
fig.suptitle('Training Metrics')axes[0].set_ylabel("Loss", fontsize=14)
axes[0].plot(train_loss_results)axes[1].set_ylabel("Accuracy", fontsize=14)
axes[1].set_xlabel("Epoch", fontsize=14)
axes[1].plot(train_accuracy_results)
plt.show()

5.4 建立测试数据集

评估模型与训练模型相似。最大的区别在于，样本来自一个单独的测试集，而不是训练集。为了公正地评估模型的效果，用于评估模型的样本务必与用于训练模型的样本不同。

测试 Dataset 的建立与训练 Dataset 相似。下载 CSV 文本文件并解析相应的值，然后对数据稍加随机化处理：

test_url = "https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/iris_test.csv"
test_fp = tf.keras.utils.get_file(fname=os.path.basename(test_url), origin=test_url)test_dataset = tf.data.experimental.make_csv_dataset(test_fp,batch_size,column_names=column_names,label_name='species',num_epochs=1,shuffle=False)test_dataset = test_dataset.map(pack_features_vector)

5.5 根据测试数据集评估模型

与训练阶段不同，模型仅评估测试数据的一个周期。在以下代码单元格中，我们会遍历测试集中的每个样本，然后将模型的预测结果与实际标签进行比较。这是为了衡量模型在整个测试集中的准确率。

test_accuracy = tf.keras.metrics.Accuracy()for (x, y) in test_dataset:# training=False is needed only if there are layers with different# behavior during training versus inference (e.g. Dropout).logits = model(x, training=False)prediction = tf.argmax(logits, axis=1, output_type=tf.int32)test_accuracy(prediction, y)print("Test set accuracy: {:.3%}".format(test_accuracy.result()))

5.6 使用经过训练的模型进行预测

我们已经训练了一个模型并“证明”它是有效的，但在对鸢尾花品种进行分类方面，这还不够。现在，我们使用经过训练的模型对无标签样本（即包含特征但不包含标签的样本）进行一些预测。

在现实生活中，无标签样本可能来自很多不同的来源，包括应用、CSV 文件和数据 Feed。暂时我们将手动提供三个无标签样本以预测其标签。回想一下，标签编号会映射到一个指定的表示法：0（山鸢尾）、1（变色鸢尾）、2（维吉尼亚鸢尾）。

predict_dataset = tf.convert_to_tensor([[5.1, 3.3, 1.7, 0.5,],[5.9, 3.0, 4.2, 1.5,],[6.9, 3.1, 5.4, 2.1]
])# training=False is needed only if there are layers with different
# behavior during training versus inference (e.g. Dropout).
predictions = model(predict_dataset, training=False)for i, logits in enumerate(predictions):class_idx = tf.argmax(logits).numpy()p = tf.nn.softmax(logits)[class_idx]name = class_names[class_idx]print("Example {} prediction: {} ({:4.1f}%)".format(i, name, 100*p))