keras自定义回调函数查看训练的loss和accuracy方式

脚本专栏 2024/11/8 佚名

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前言：

keras是一个十分便捷的开发框架，为了更好的追踪网络训练过程中的损失函数loss和准确率accuracy，我们有几种处理方式，第一种是直接通过 history=model.fit()，来返回一个history对象，通过这个对象可以访问到训练过程训练集的loss和accuracy以及验证集的loss和accuracy。

第二种方式就是通过自定义一个回调函数Call backs，来实现这一功能，本文主要讲解第二种方式。

一、如何构建回调函数Callbacks

本文所针对的例子是卷积神经网络Lenet-5，数据集是mnist数据集。

1.1 什么是回调函数

回调函数是一个函数的合集，会在训练的阶段中所使用。你可以使用回调函数来查看训练模型的内在状态和统计。你可以传递一个列表的回调函数（作为 callbacks 关键字参数）到 Sequential 或 Model 类型的 .fit() 方法。在训练时，相应的回调函数的方法就会被在各自的阶段被调用。

这里有两个关键的点：

（1）状态和统计：其实就是我们希望模型在训练过程中需要从过程中获取什么信息，比如我的损失loss，准确率accuracy等信息就是训练过程中的状态与统计信息；再比如我希望每一个epoch结束之后打印一些相应的自定义提示信息，这也是状态信息。

（2）各自的阶段：模型的训练一般是分为多少个epoch，然后每一个epoch又分为多少个batch，所以这个阶段可以是在每一个epoch之后执行回调函数，也可以是在每一个batch之后执行回调函数。

1.2 回调函数的本质

其实回调函数只是一个很形象的说法，它的本质是一个类，我们直接通过 history=model.fit()返回的history对象就是一个回调函数History类的对象，而History类又继承自Callback类。

回调函数的基类——Call back，他的定义如下：

class Callback(object): # 用来组建新的回调函数的抽象基类
 
 def __init__(self):
  self.validation_data = None
  self.model = None
 
 def set_params(self, params):
  self.params = params
 
 def set_model(self, model):
  self.model = model
 
 def on_epoch_begin(self, epoch, logs=None):
  pass
 
 def on_epoch_end(self, epoch, logs=None):
  pass
 
 def on_batch_begin(self, batch, logs=None):
  pass
 
 def on_batch_end(self, batch, logs=None):
  pass
 
 def on_train_begin(self, logs=None):
  pass
 
 def on_train_end(self, logs=None):
  pass

属性

params: 它是一个字典类型。训练参数， (例如，verbosity, batch size, number of epochs...)。

model: keras.models.Model 的实例。指代被训练模型。

被回调函数作为参数的 logs 字典，它会含有于当前批量或训练轮相关数据的键。

特别需要注意的是，上面的每一个函数里面均有一个logs参数，这个参数也是记录训练信息的关键，需要注意以下几个点：

（1）logs是一个字典对象directory；

（2）在不同的方法中这个logs有不同的键值；分别如下：

on_epoch_end: 包括 acc 和 loss 的日志，也可以选择性的包括 val_loss（如果在 fit 中启用验证），和 val_acc（如果启用验证和监测精确值）。这个用的是最多的。

on_batch_begin: 包括 size 的日志，在当前批量内的样本数量。

on_batch_end: 包括 loss 的日志，也可以选择性的包括 acc

1.3 系统预定义的回调函数

BaseLogger
TerminateOnNaN
ProgbarLogger
History
ModelCheckpoint
EarlyStopping
RemoteMonitor
LearningRateScheduler
TensorBoard
ReduceLROnPlateau
CSVLogger
LambdaCallback

二、keras实现自定义History回调函数记录loss和accuracy

2.1 回调函数的定义

# 写一个LossHistory类，保存训练集的loss和acc
# 当然我也可以完全不这么做，可以直接使用model.fit()方法返回的 history对象去做
'''Callback有6个常用的方法，这里实现其中的四个
 def on_epoch_begin(self, epoch, logs=None):
 def on_epoch_end(self, epoch, logs=None):
 def on_batch_begin(self, batch, logs=None):
 def on_batch_end(self, batch, logs=None):
 def on_train_begin(self, logs=None):
 def on_train_end(self, logs=None):
'''
class LossHistory(Callback): # 继承自Callback类
 
 '''
 在模型开始的时候定义四个属性，每一个属性都是字典类型，存储相对应的值和epoch
 '''
 def on_train_begin(self, logs={}):
  self.losses = {'batch':[], 'epoch':[]}
  self.accuracy = {'batch':[], 'epoch':[]}
  self.val_loss = {'batch':[], 'epoch':[]}
  self.val_acc = {'batch':[], 'epoch':[]}
 
 # 在每一个batch结束后记录相应的值
 def on_batch_end(self, batch, logs={}):
  self.losses['batch'].append(logs.get('loss'))
  self.accuracy['batch'].append(logs.get('acc'))
  self.val_loss['batch'].append(logs.get('val_loss'))
  self.val_acc['batch'].append(logs.get('val_acc'))
 
 # 在每一个epoch之后记录相应的值
 def on_epoch_end(self, batch, logs={}):
  self.losses['epoch'].append(logs.get('loss'))
  self.accuracy['epoch'].append(logs.get('acc'))
  self.val_loss['epoch'].append(logs.get('val_loss'))
  self.val_acc['epoch'].append(logs.get('val_acc'))
 
 def loss_plot(self, loss_type):
  '''
  loss_type：指的是 'epoch'或者是'batch'，分别表示是一个batch之后记录还是一个epoch之后记录
  '''
  iters = range(len(self.losses[loss_type]))
  plt.figure()
  # acc
  plt.plot(iters, self.accuracy[loss_type], 'r', label='train acc')
  # loss
  plt.plot(iters, self.losses[loss_type], 'g', label='train loss')
  if loss_type == 'epoch':
   # val_acc
   plt.plot(iters, self.val_acc[loss_type], 'b', label='val acc')
   # val_loss
   plt.plot(iters, self.val_loss[loss_type], 'k', label='val loss')
  plt.grid(True)
  plt.xlabel(loss_type)
  plt.ylabel('acc-loss')
  plt.legend(loc="upper right")
  plt.savefig("mnist_keras.png")
  plt.show()

2.2 模型的搭建以及训练

mnist数据准备

# 训练参数
learning_rate = 0.001
epochs = 10
batch_size = 128
n_classes = 10
 
# 定义图像维度reshape
img_rows, img_cols = 28, 28
 
# 加载keras中的mnist数据集 分为60,000个训练集，10,000个测试集
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
 
# 将图片转化为（samples,width,height,channels)的格式
x_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], img_rows, img_cols, 1)
x_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], img_rows, img_cols, 1)
 
# 将X_train, X_test的数据格式转为float32
x_train = x_train.astype('float32')
x_test = x_test.astype('float32')
# 将X_train, X_test归一化0-1
x_train /= 255
x_test /= 255
 
# 输出0-9转换为ont-hot形式
y_train = np_utils.to_categorical(y_train, n_classes)
y_test = np_utils.to_categorical(y_test, n_classes)

模型的搭建以及训练

# 建立模型
model = Sequential()
 
# lenet-5
model.add(Convolution2D(filters=6, kernel_size=(5, 5), padding='valid', input_shape=(img_rows, img_cols, 1), activation='tanh'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(Convolution2D(filters=16, kernel_size=(5, 5), padding='valid', activation='tanh'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(120, activation='tanh'))
model.add(Dense(84, activation='tanh'))
model.add(Dense(n_classes, activation='softmax'))
 
#打印模型# verbose=1显示进度条
model.summary()
 
# 编译模型
model.compile(optimizer=Adam(lr=learning_rate), loss='categorical_crossentropy',metrics=['accuracy'])
 
history = LossHistory() # 这里是使用自定义的Callback回调函数，当然本身fit函数也会返回一个history可供使用
model.fit(x_train, y_train,batch_size=batch_size,epochs=epochs, verbose=1,validation_data=(x_test, y_test),callbacks=[history])
model.save('./models/lenet5_weight.h5')

绘制训练过程loss和acc曲线

#绘制训练的acc-loss曲线

history.loss_plot('epoch') # 每一个epoch展示一次

最终的运行结果如下：

Epoch 1/10
2019-06-23 08:44:32.930737: I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:1432] Found device 0 with properties:
name: GeForce GTX 950 major: 5 minor: 2 memoryClockRate(GHz): 1.2155
pciBusID: 0000:01:00.0
totalMemory: 2.00GiB freeMemory: 1.64GiB
2019-06-23 08:44:32.937390: I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:1511] Adding visible gpu devices: 0
2019-06-23 08:44:37.003650: I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:982] Device interconnect StreamExecutor with strength 1 edge matrix:
2019-06-23 08:44:37.006358: I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:988]  0
2019-06-23 08:44:37.008076: I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:1001] 0: N
2019-06-23 08:44:37.012620: I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:1115] Created TensorFlow device (/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0 with 1388 MB memory) -> physical GPU (device: 0, name: GeForce GTX 950, pci bus id: 0000:01:00.0, compute capability: 5.2)
60000/60000 [==============================] - 18s 302us/step - loss: 0.2979 - acc: 0.9151 - val_loss: 0.0863 - val_acc: 0.9730
Epoch 2/10
60000/60000 [==============================] - 4s 61us/step - loss: 0.0810 - acc: 0.9753 - val_loss: 0.0611 - val_acc: 0.9808
Epoch 3/10
60000/60000 [==============================] - 4s 59us/step - loss: 0.0575 - acc: 0.9826 - val_loss: 0.0518 - val_acc: 0.9849
Epoch 4/10
60000/60000 [==============================] - 4s 59us/step - loss: 0.0451 - acc: 0.9857 - val_loss: 0.0480 - val_acc: 0.9848
Epoch 5/10
60000/60000 [==============================] - 4s 59us/step - loss: 0.0375 - acc: 0.9886 - val_loss: 0.0449 - val_acc: 0.9860
Epoch 6/10
60000/60000 [==============================] - 3s 57us/step - loss: 0.0307 - acc: 0.9907 - val_loss: 0.0392 - val_acc: 0.9863
Epoch 7/10
60000/60000 [==============================] - 4s 68us/step - loss: 0.0242 - acc: 0.9923 - val_loss: 0.0389 - val_acc: 0.9882
Epoch 8/10
60000/60000 [==============================] - 4s 75us/step - loss: 0.0192 - acc: 0.9944 - val_loss: 0.0354 - val_acc: 0.9891
Epoch 9/10
60000/60000 [==============================] - 4s 66us/step - loss: 0.0180 - acc: 0.9942 - val_loss: 0.0385 - val_acc: 0.9885
Epoch 10/10
60000/60000 [==============================] - 4s 67us/step - loss: 0.0143 - acc: 0.9956 - val_loss: 0.0516 - val_acc: 0.9860

得到的训练曲线如下：

三、模型的结果测试

这里需要使用到sklearn库，代码如下：

from keras.models import load_model
from sklearn.metrics import confusion_matrix, f1_score, precision_score, recall_score,accuracy_score
 
# 测试
model=load_model('./models/lenet5_weight.h5')
 
y_predict = model.predict(x_test, batch_size=512, verbose=1)
# y_predict = (y_predict > 0.007).astype(int)
y_predict = (y_predict > 0.01).astype(int)
y_true = np.reshape(y_test, [-1])
y_pred = np.reshape(y_predict, [-1])
 
# 评价指标
accuracy = accuracy_score(y_true, y_pred)
precision = precision_score(y_true, y_pred)
recall = recall_score(y_true, y_pred, average='binary')
f1score = f1_score(y_true, y_pred, average='binary')
 
# Micro F1: 将n分类的评价拆成n个二分类的评价，将n个二分类评价的TP、FP、RN对应相加，计算评价准确率和召回率，由这2个准确率和召回率计算的F1 score即为Micro F1。
# Macro F1: 将n分类的评价拆成n个二分类的评价，计算每个二分类的F1 score，n个F1 score的平均值即为Macro F1。
# 一般来讲，Macro F1、Micro F1高的分类效果好。Macro F1受样本数量少的类别影响大。
micro_f1 = f1_score(y_true, y_pred,average='micro')
macro_f1 = f1_score(y_true, y_pred,average='macro')
 
print('accuracy:',accuracy)
print('precision:',precision)
print('recall:',recall)
print('f1score:',f1score)
print('Macro-F1: {}'.format(macro_f1))
print('Micro-F1: {}'.format(micro_f1))

运行结果是：

10000/10000 [==============================] - 2s 151us/step
accuracy: 0.98813
precision: 0.8956631049654306
recall: 0.9975
f1score: 0.9438425509769599
Macro-F1: 0.9686030934161676
Micro-F1: 0.98813

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