1、使用tensorflow_datasets

tensorflow_datasets是一个非常有用的库，其中包含了很多数据集，通过运行：

tfds.list_builders()

可以查看其中包含的所有数据集。

1.1 加载数据集

import tensorflow_datasets as tfds(raw_train, raw_validation, raw_test), metadata = tfds.load('cats_vs_dogs',split=['train[:80%]', 'train[80%:90%]', 'train[90%:]'],shuffle_files=False,batch_size=None,with_info=True,as_supervised=True,
)

参数说明：

输入：

• name：数据集的名称，可以通过运行tfds.list_builders()获得。
• split：如何划分数据集，如果不进行划分，则只得到训练集（即全部样本）。
• shuffle_files：是否打乱。
• batch_size：是否每次分批取出。如果为None，则每次取出一个样本。
• with_info：是否输出数据集信息。
• as_supervised：为True时，函数会返回一个二元组 (input, label)，而不是返回 FeaturesDict。

输出：

• (raw_train, raw_validation, raw_test)：split之后的数据。
• metadata：数据集信息。

1.2 查看数据集中某些样本的信息

for image, label in raw_train.take(2):print(image.shape,label)print(label)"""
输出：
(262, 350, 3)
tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
(428, 500, 3)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
"""

获取标签所代表的种类

get_label_name = metadata.features['label'].int2str
for image, label in raw_train.take(2):print(image.shape)print(label)print(get_label_name(label))
'''
输出：
(262, 350, 3)
tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
cat
(428, 500, 3)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
dog'''

1.3 将样本标准化

IMG_SIZE = 160 # All images will be resized to 160x160def format_example(image, label):image = tf.cast(image, tf.float32)image = (image/127.5) - 1image = tf.image.resize(image, (IMG_SIZE, IMG_SIZE))return image, label
train = raw_train.map(format_example)
validation = raw_validation.map(format_example)
test = raw_test.map(format_example)

当然，这里也可以用下面的代码代替：

for image, label in raw_train:image = tf.cast(image, tf.float32)image = (image/127.5) - 1image = tf.image.resize(image, (IMG_SIZE, IMG_SIZE))

但这将会非常花时间！！！

1.4 将样本打乱、分批

如果在导入数据集的时候没有shuffle和分批，那么可以在之后进行。

BATCH_SIZE = 32
SHUFFLE_BUFFER_SIZE = 1000
train_batches = train.shuffle(SHUFFLE_BUFFER_SIZE).batch(BATCH_SIZE)
validation_batches = validation.batch(BATCH_SIZE)
test_batches = test.batch(BATCH_SIZE)

1.5 查看最终的训练样本

for image_batch, label_batch in train_batches.take(1):print(image_batch.shape)print(label_batch.shape)
'''
输出：
(32, 160, 160, 3)
(32,)
'''

2、将已有的csv文件作为数据集

2.2 数据标准化

data_mean = dataset_.mean(axis=0)
data_std = dataset_.std(axis=0)dataset_ = (dataset_-data_mean)/data_std

2.3 划分训练集和测试集

因为这个数据集本身不分训练集和测试集，所以在这里要用sklearn库进行划分。

from sklearn.model_selection import train_test_split
train, test = train_test_split(dataset_, test_size=0.1)

2.4 划分特征与标签

train_x = train[:, :-1].astype(np.float32)
train_y = train[:, -1].astype(np.float32)
test_x = test[:, :-1].astype(np.float32)
test_y = test[:, -1].astype(np.float32)

2.5 切片处理

dataset_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((train_x, train_y)).shuffle(train_y.shape[0]).batch(32)
dataset_test = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((test_x, test_y)).shuffle(test_y.shape[0]).batch(32)

将此输入模型，即可进行训练。

3、使用tf.keras.datasets

3.1 导入数据集

(x, y), (x_test, y_test) = tf.keras.datasets.fashion_mnist.load_data()

3.2 特征归一化

因为这里特征是图片，所以除以255即可。

def preprocess(x, y):x = tf.cast(x, dtype=tf.float32) / 255.0y = tf.cast(y, dtype=tf.int32)return x,y

3.3 切片

batchsz = 128db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x,y))
db = db.map(preprocess).shuffle(10000).batch(batchsz)db_test = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test,y_test))
db_test = db_test.map(preprocess).batch(batchsz)

将此输入模型，即可进行训练。

4、Dataset数据集

4.1 将Dataframe改为Dataset数据集

#target为标签列，将其从dataframe中删除，并返回删除内容于labels中。
labels = dataframe.pop('target')
ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((dict(dataframe), labels))

4.2 将array改为Dataset数据集

# 从Numpy array构建数据管道import tensorflow as tf
import numpy as np
from sklearn import datasets
iris = datasets.load_iris()ds1 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((iris["data"],iris["target"]))
for features,label in ds1.take(5):print(features,label)
'''
输出：
tf.Tensor([5.1 3.5 1.4 0.2], shape=(4,), dtype=float64) tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor([4.9 3.  1.4 0.2], shape=(4,), dtype=float64) tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor([4.7 3.2 1.3 0.2], shape=(4,), dtype=float64) tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor([4.6 3.1 1.5 0.2], shape=(4,), dtype=float64) tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor([5.  3.6 1.4 0.2], shape=(4,), dtype=float64) tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
'''

4.3 将csv文件中数据导入到Dataset数据集

ds4 = tf.data.experimental.make_csv_dataset(file_pattern = ["../A.csv","../B.csv"],batch_size=3, label_name="Survived",na_value="",num_epochs=1,ignore_errors=True)for data,label in ds4.take(2):print(data,label)

4.4 创建Dataset数据集

batch_size = 5 # 小批量大小用于演示
train_ds = df_to_dataset(train, batch_size=batch_size)
val_ds = df_to_dataset(val, shuffle=False, batch_size=batch_size)
test_ds = df_to_dataset(test, shuffle=False, batch_size=batch_size)

此处返回的皆为字典形式。
可以通过以下方式查看数据集信息：

for feature_batch, label_batch in train_ds.take(1):print('Every feature:', list(feature_batch.keys()))print('A batch of ages:', feature_batch['age'])print('A batch of targets:', label_batch )
'''
输出：
Every feature: ['age', 'sex', 'cp', 'trestbps', 'chol', 'fbs', 'restecg', 'thalach', 'exang', 'oldpeak', 'slope', 'ca', 'thal']
A batch of ages: tf.Tensor([61 59 58 42 40], shape=(5,), dtype=int32)
A batch of targets: tf.Tensor([1 1 0 1 0], shape=(5,), dtype=int32)
'''

5、图片

我们用horse2zebra数据集举例：此数据集中包含4个文件夹，分别是horse训练集、zebra训练集、horse测试集以及zebra测试集。每个训练集中都包含1000多张 (256, 256, 3) 的彩色图片（掺有一些灰度图片，之后会在代码中删掉）。

5.1 导入

PATH = 'C:\\Users\\kzb'
train_horses = tf.data.Dataset.list_files(PATH+'trainA/*.jpg')
train_zebras = tf.data.Dataset.list_files(PATH+'trainB/*.jpg')
test_horses = tf.data.Dataset.list_files(PATH+'testA/*.jpg')
test_zebras = tf.data.Dataset.list_files(PATH+'testB/*.jpg')

此时导入的是字符串类型的dataset。

5.2 将图片转换为需要的类型

def load(image_file):image = tf.io.read_file(image_file)image = tf.image.decode_jpeg(image)image = tf.cast(image, tf.float32)return image

打印出一张图片查看：

img = load(PATH+'trainB/n02391049_2.jpg')
# casting to int for matplotlib to show the image
plt.figure()
plt.imshow(img/255.0)

5.3 删除dataset中的灰度图

for dirname, _, filenames in os.walk(PATH+'trainB'):for filename in filenames:img = load(os.path.join(dirname, filename))if img.shape != (256, 256, 3):print(filename)print(img.shape)os.remove(os.path.join(dirname, filename))

5.4 加入batch和shuffle

AUTOTUNE = tf.data.experimental.AUTOTUNE
train_horses = train_horses.map(load, num_parallel_calls=AUTOTUNE).cache().shuffle(1000).batch(1)train_zebras = train_zebras.map(load, num_parallel_calls=AUTOTUNE).cache().shuffle(1000).batch(1)test_horses = test_horses.map(load, num_parallel_calls=AUTOTUNE).cache().shuffle(1000).batch(1)test_zebras = test_zebras.map(load, num_parallel_calls=AUTOTUNE).cache().shuffle(1000).batch(1)

将此输入模型，即可进行训练。

6、使用 wget.download 在官网下载数据集

以热狗数据集举例。

6.1 去官网下载数据集

import os
import wget
data = os.getcwd()+'/data'
base_url = 'https://apache-mxnet.s3-accelerate.amazonaws.com/'
wget.download(base_url + 'gluon/dataset/hotdog.zip',data)

其中，os.getcwd() 返回的是当前 .py 文件所在的文件夹。wget.download(data, dir) 是将 data 数据集（压缩包）下载到 dir 文件夹中。

6.2 解压数据集压缩包

import zipfile
with zipfile.ZipFile('data', 'r') as z:z.extractall(os.getcwd())

6.3 读取图像文件

创建两个 tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator 实例来分别读取训练数据集和测试数据集中的所有图像文件。 这里我们将训练集图片全部处理为高和宽均为224像素的输入。此外，我们对RGB（红、绿、蓝）三个颜色通道的数值做标准化。

import pathlib
train_dir = 'hotdog/train'
test_dir = 'hotdog/test'
train_dir = pathlib.Path(train_dir)
train_count = len(list(train_dir.glob('*/*.jpg')))
test_dir = pathlib.Path(test_dir)
test_count = len(list(test_dir.glob('*/*.jpg')))CLASS_NAMES = np.array([item.name for item in train_dir.glob('*') if item.name != 'LICENSE.txt' and item.name[0] != '.'])
CLASS_NAMESimage_generator = tf.keras.preprocessing.image.ImageDataGenerator(rescale=1./255)  # 标准化
BATCH_SIZE = 32
IMG_HEIGHT = 224
IMG_WIDTH = 224train_data_gen = image_generator.flow_from_directory(directory=str(train_dir),batch_size=BATCH_SIZE,target_size=(IMG_HEIGHT, IMG_WIDTH),shuffle=True,classes = list(CLASS_NAMES))test_data_gen = image_generator.flow_from_directory(directory=str(test_dir),batch_size=BATCH_SIZE,target_size=(IMG_HEIGHT, IMG_WIDTH),shuffle=True,classes = list(CLASS_NAMES))

7、文本

使用 tf.data.TextLineDataset 来加载文本文件。TextLineDataset 通常被用来以文本文件构建数据集（文件中的一行为一个样本) 。这适用于大多数的基于行的文本数据（例如，诗歌、小说或错误日志) 。

7.2 得到文本所在目录

7.2.1 下载数据集

如果是自己的数据集，这一步可以跳过。

在这里，我们将使用相同作品（荷马的伊利亚特）的三个不同版本的英文翻译举例，以文本的每一行作为样本特征，以作者为标签。

import tensorflow as tfDIRECTORY_URL = 'https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/illiad/'
FILE_NAMES = ['cowper.txt', 'derby.txt', 'butler.txt']for name in FILE_NAMES:text_dir = tf.keras.utils.get_file(name, origin=DIRECTORY_URL+name)

7.2.2 查找目录地址

parent_dir = os.path.dirname(text_dir)
parent_dir

7.3 生成 dataset

7.3.1 为每个类别的样本都单独生成一个数据集

def labeler(example, index):return example, tf.cast(index, tf.int64)  labeled_data_sets = []for i, file_name in enumerate(FILE_NAMES):lines_dataset = tf.data.TextLineDataset(os.path.join(parent_dir, file_name))labeled_dataset = lines_dataset.map(lambda ex: labeler(ex, i))labeled_data_sets.append(labeled_dataset)

tf.data.TextLineDataset()： 输入一个文件地址，输出是一个 dataset。dataset 中的每一个元素就对应了文件中的一行。
比如：

a = tf.data.TextLineDataset(os.path.join(parent_dir, 'cowper.txt'))
for each in a.take(5):print(each)
'''
输出：
tf.Tensor(b"\xef\xbb\xbfAchilles sing, O Goddess! Peleus' son;", shape=(), dtype=string)
tf.Tensor(b'His wrath pernicious, who ten thousand woes', shape=(), dtype=string)
tf.Tensor(b"Caused to Achaia's host, sent many a soul", shape=(), dtype=string)
tf.Tensor(b'Illustrious into Ades premature,', shape=(), dtype=string)
tf.Tensor(b'And Heroes gave (so stood the will of Jove)', shape=(), dtype=string)
'''

然后我们将得到的 dataset 映射到 labeler 函数中，将标签添加到 dataset 中：

b = a.map(lambda ex: labeler(ex, 0))
for each in b.take(5):print(each)
'''
输出：
(<tf.Tensor: id=95344, shape=(), dtype=string, numpy=b"\xef\xbb\xbfAchilles sing, O Goddess! Peleus' son;">, <tf.Tensor: id=95345, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=95346, shape=(), dtype=string, numpy=b'His wrath pernicious, who ten thousand woes'>, <tf.Tensor: id=95347, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=95348, shape=(), dtype=string, numpy=b"Caused to Achaia's host, sent many a soul">, <tf.Tensor: id=95349, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=95350, shape=(), dtype=string, numpy=b'Illustrious into Ades premature,'>, <tf.Tensor: id=95351, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=95352, shape=(), dtype=string, numpy=b'And Heroes gave (so stood the will of Jove)'>, <tf.Tensor: id=95353, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
'''

7.3.2 将三个 dataset 合并成一个 dataset

all_labeled_data = labeled_data_sets[0]
for labeled_dataset in labeled_data_sets[1:]:all_labeled_data = all_labeled_data.concatenate(labeled_dataset)

7.3.3 将 dataset 打乱

BUFFER_SIZE = 50000
all_labeled_data = all_labeled_data.shuffle(BUFFER_SIZE, reshuffle_each_iteration=False)

我们可以打印 dataset 中前5个元素：

for ex in all_labeled_data.take(5):print(ex)
'''
输出：
(<tf.Tensor: id=95461, shape=(), dtype=string, numpy=b"Uprear'd, a wonder even in eyes divine.">, <tf.Tensor: id=95462, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=95463, shape=(), dtype=string, numpy=b'hecatombs, but to the daughter of great Jove alone he had made no'>, <tf.Tensor: id=95464, shape=(), dtype=int64, numpy=2>)
(<tf.Tensor: id=95465, shape=(), dtype=string, numpy=b'strode onward. The Argives were elated as they beheld him, but the'>, <tf.Tensor: id=95466, shape=(), dtype=int64, numpy=2>)
(<tf.Tensor: id=95467, shape=(), dtype=string, numpy=b'"Friends, Grecian Heroes, Ministers of Mars,'>, <tf.Tensor: id=95468, shape=(), dtype=int64, numpy=1>)
(<tf.Tensor: id=95469, shape=(), dtype=string, numpy=b'sin against their oaths--of them and their children--may be shed upon'>, <tf.Tensor: id=95470, shape=(), dtype=int64, numpy=2>)
'''

可见此三个类别的样本都已经包含在 dataset 中了。

7.4 将文本编码成数字形式

7.4.1 建立词汇表

import tensorflow_datasets as tfds
import ostokenizer = tfds.features.text.Tokenizer()vocabulary_set = set()
for text in df["text"]:some_tokens = tokenizer.tokenize(text)vocabulary_set.update(some_tokens)vocab_size = len(vocabulary_set)
vocab_size
'''
输出：
10000
'''

其中 tokenizer = tfds.features.text.Tokenizer() 的目的是实例化一个分词器，tokenizer.tokenize 可以将一句话分成多个单词，例如：

for text_tensor, _ in all_labeled_data.take(1):print(text_tensor)print(text_tensor.numpy())print(tokenizer.tokenize(text_tensor.numpy()))

tf.Tensor(b"Uprear'd, a wonder even in eyes divine.", shape=(), dtype=string)
b"Uprear'd, a wonder even in eyes divine."
['Uprear', 'd', 'a', 'wonder', 'even', 'in', 'eyes', 'divine']

7.4.2 建立编码器

encoder = tfds.features.text.TokenTextEncoder(vocabulary_set)

我们拿一个样本实验：

example_text = next(iter(all_labeled_data))[0].numpy()
print(example_text)encoded_example = encoder.encode(example_text)
print(encoded_example)'''
输出：
b'I mean to pound his flesh, and smash his bones.'
[1677, 9644, 1762, 15465, 12945, 9225, 13806, 5555, 12945, 4829]
'''

然后，我们将编码器写成函数供以后调用：

def encode(text_tensor, label):encoded_text = encoder.encode(text_tensor.numpy())return encoded_text, label

7.4.3 对所有样本进行编码

def encode_map_fn(text, label):# py_func doesn't set the shape of the returned tensors.encoded_text, label = tf.py_function(encode, inp=[text, label], Tout=(tf.int64, tf.int64))# `tf.data.Datasets` work best if all components have a shape set#  so set the shapes manually: encoded_text.set_shape([None])label.set_shape([])return encoded_text, labelall_encoded_data = all_labeled_data.map(encode_map_fn)

其中，我们使用了 tf.py_function(func, inp, Tout, name=None) 函数：

• 作用：包装 Python 函数，让 Python 代码可以与 tensorflow 进行交互。

• 参数：

  • func ：自己定义的python函数名称

  • inp ：自己定义python函数的参数列表，写成列表的形式，[tensor1,tensor2,tensor3] 列表的每一个元素是一个Tensor对象，

  • Tout：它与自定义的python函数的返回值相对应的，

    • 当Tout是一个列表的时候 ，如 [ tf.string,tf,int64,tf.float] 表示自定义函数有三个返回值，即返回三个tensor，每一个tensor的元素的类型与之对应；
    • 当Tout只有一个值的时候，如tf.int64，表示自定义函数返回的是一个整型列表或整型tensor；
    • 当Tout没有值的时候，表示自定义函数没有返回值。

注意：如果这里不使用 tf.py_function 而是使用 dataset.map，程序会报错：

AttributeError: 'Tensor' object has no attribute 'numpy'

这是因为 datastep.map(function) 给解析函数 function 传递进去的参数，即上面的 encode(text_tensor, label) 中的 text_tensor 和 label 是 Tensor 而不是 EagerTensor 。可以这样理解：

因为对一个数据集 dataset.map 的时候，并没有预先对每一组样本先进行 map 中映射的函数运算，而仅仅是告诉 dataset，你每一次拿出来的样本时要先进行一遍 function 运算之后才使用的，所以 function 的调用是在每次迭代 dataset 的时候才调用的，但是预先的参数 text_tensor 和 label 只是一个“容器”，迭代的时候采用数据将这个“容器”填起来，而在运算的时候，虽然将数据填进去了，但是 text_tensor 和 label 依然还是一个 Tensor 而不是 EagerTensor，所以才会出现上面的问题。

此时，我们得到的最终 dataset 中的样本已经从文本转换成了数字向量：

for i in all_encoded_data.take(5):print(i)
'''
输出：
(<tf.Tensor: id=225383, shape=(8,), dtype=int64, numpy=
array([ 1438, 14227,  5791, 16819, 11806, 13990, 10168, 11243],dtype=int64)>, <tf.Tensor: id=225384, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=225388, shape=(13,), dtype=int64, numpy=
array([ 3194,  4566,  1762, 15273,  9726,   377,  5972,   556, 11565,13400,  5594,  5132,  9271], dtype=int64)>, <tf.Tensor: id=225389, shape=(), dtype=int64, numpy=2>)
(<tf.Tensor: id=225393, shape=(12,), dtype=int64, numpy=
array([ 9549,  7697, 12367,   901,  7439,  4679,  3366, 11629,  5709,4866,  4566, 15273], dtype=int64)>, <tf.Tensor: id=225394, shape=(), dtype=int64, numpy=2>)
(<tf.Tensor: id=225398, shape=(6,), dtype=int64, numpy=array([   88, 12816, 14312,  7786,   377, 10566], dtype=int64)>, <tf.Tensor: id=225399, shape=(), dtype=int64, numpy=1>)
(<tf.Tensor: id=225403, shape=(13,), dtype=int64, numpy=
array([ 7888,  8908,  2313, 13645,   377, 12262, 13806,  2313,  7788,3289,  1718, 12822,  2595], dtype=int64)>, <tf.Tensor: id=225404, shape=(), dtype=int64, numpy=2>)
'''

7.5 将数据集分割为测试集和训练集

BATCH_SIZE = 64
TAKE_SIZE = 5000
train_data = all_encoded_data.skip(TAKE_SIZE).shuffle(BUFFER_SIZE)
train_data = train_data.padded_batch(BATCH_SIZE, ((None, ), ()))test_data = all_encoded_data.take(TAKE_SIZE)
test_data = test_data.padded_batch(BATCH_SIZE, ((None, ), ()))

使用 tf.data.Dataset.take 和 tf.data.Dataset.skip 来建立一个小一些的测试数据集和稍大一些的训练数据集。tf.data.Dataset.take(TAKE_SIZE) 表示取 TAKE_SIZE 个样本做测试集；tf.data.Dataset.skip(TAKE_SIZE) 表示取 总样本数-TAKE_SIZE 个样本做训练集。

在数据集被传入模型之前，数据集需要进行分批处理。最典型的是，每个批次中的样本大小与格式需要一致。但是数据集中样本并不全是相同大小的（每行文本字数并不相同）。因此，我们使用 tf.data.Dataset.padded_batch（而不是 batch ）将样本填充到相同的大小，这里把形状设置成 (None, ) 之后，它会判断在这个批次中的最长样本的单词个数，然后将该批次所有其他样本用零填充到这个长度。

sample_text, sample_labels = next(iter(test_data))
sample_text[0], sample_labels[0]
'''
输出：
(<tf.Tensor: id=225755, shape=(15,), dtype=int64, numpy=array([ 1438, 14227,  5791, 16819, 11806, 13990, 10168, 11243,     0,0,     0,     0,     0,     0,     0], dtype=int64)>,<tf.Tensor: id=225759, shape=(), dtype=int64, numpy=0>)
'''

由于我们引入了一个新的 token 来编码（填充零），因此词汇表大小增加了一个。

vocab_size += 1

之后在训练的时候，直接将 train_data 输入词嵌入层即可。训练的详细信息请参照Tensorflow2.0之文本分类确定文章译者。

8、将标签数字化

原始数据

# categorical  实际上是计算一个列表型数据中的类别数，即不重复项，
# 它返回的是一个CategoricalDtype 类型的对象，相当于在原来数据上附加上类别信息 ，
# 具体的类别可以通过和对应的序号可以通过  codes  和 categories
df.airline_sentiment = pd.Categorical(df.airline_sentiment).codes
df

数字化后的数据

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