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如何使用TensorFlow保存編碼器-解碼器模型?

2021-11-29 06:08:50 軟體工程

我有一個編碼器-解碼器模型,可以做出很好的預測,但我正在努力保存層的隱藏狀態,以便可以重用模型。

下面的文字描述了我訓練、測驗、保存和加載模型所采取的每一步。

進口

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.layers import LSTM, Input, TimeDistributed, Dense, Embedding
from tensorflow.keras.models import Model

訓練

在對資料進行預處理后,我訓練了編碼器-解碼器模型,如下所示。

訓練模型代碼

embedding_size = 175
vocab_size = len(tokenizer.word_index)

encoder_inputs = Input(shape=(None,))
en_x =  Embedding(vocab_size, embedding_size, mask_zero=True)(encoder_inputs)

# Encoder lstm
encoder = LSTM(512, return_state=True)
encoder_outputs, state_h, state_c = encoder(en_x)

# discard `encoder_outputs` and only keep the states.
encoder_states = [state_h, state_c]

# Set up the decoder, using `encoder_states` as initial state.
decoder_inputs = Input(shape=(None,))

# target word embeddings
dex =  Embedding(vocab_size, embedding_size, mask_zero=True)
final_dex = dex(decoder_inputs)

# decoder lstm
decoder_lstm = LSTM(512, return_sequences=True, return_state=True)
decoder_outputs, _, _ = decoder_lstm(final_dex,
                                     initial_state=encoder_states)

decoder_dense = TimeDistributed(Dense(vocab_size, activation='softmax'))
decoder_outputs = decoder_dense(decoder_outputs)

# While training, model takes eng and french words and outputs #translated french word
model = Model([encoder_inputs, decoder_inputs], decoder_outputs)

# rmsprop is preferred for nlp tasks
model.compile(optimizer='rmsprop', loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(), 
                  metrics=['accuracy'])

model.fit([X_train, X_decoder], y_train,
          batch_size=32,
          epochs=50,
          validation_split=0.1)

訓練模型總結

__________________________________________________________________________________________________
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
==================================================================================================
input_2 (InputLayer)            [(None, None)]       0                                            
__________________________________________________________________________________________________
input_3 (InputLayer)            [(None, None)]       0                                            
__________________________________________________________________________________________________
embedding (Embedding)           (None, None, 175)    499800      input_2[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
embedding_1 (Embedding)         (None, None, 175)    499800      input_3[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
lstm (LSTM)                     [(None, 512), (None, 1409024     embedding[0][0]                  
__________________________________________________________________________________________________
lstm_1 (LSTM)                   [(None, None, 512),  1409024     embedding_1[0][0]                
                                                                 lstm[0][1]                       
                                                                 lstm[0][2]                       
__________________________________________________________________________________________________
time_distributed (TimeDistribut (None, None, 2856)   1465128     lstm_1[0][0]                     
==================================================================================================
Total params: 5,282,776
Trainable params: 5,282,776
Non-trainable params: 0
__________________________________________________________________________________________________

推理

訓練后我創建了以下推理模型(因為訓練模型使用教師強化,不能用于進行預測)。

推理模型

encoder_model = Model(encoder_inputs, encoder_states)

# Redefine the decoder model with decoder will be getting below inputs from encoder while in prediction
decoder_state_input_h = Input(shape=(512,))
decoder_state_input_c = Input(shape=(512,))
decoder_states_inputs = [decoder_state_input_h, decoder_state_input_c]
final_dex2 = dex(decoder_inputs)

decoder_outputs2, state_h2, state_c2 = decoder_lstm(final_dex2, initial_state=decoder_states_inputs)

decoder_states2 = [state_h2, state_c2]
decoder_outputs2 = decoder_dense(decoder_outputs2)

# sampling model will take encoder states and decoder_input (seed initially) and output the predictions. We don't care about decoder_states2
decoder_model = Model(
    [decoder_inputs]   decoder_states_inputs,
    [decoder_outputs2]   decoder_states2)

現在我所需要的只是一個進行預測的函式(見下文),經過一些測驗后發現我的模型在測驗集上的準確率達到了 97.2%。

def decode_sequence(input_seq):
    # Encode the input as state vectors.
    states_value = encoder_model.predict(input_seq)

    # Generate empty target sequence of length 1.
    target_seq = np.zeros((1, 1))
    
    # Populate the first character of target sequence with the start character.
    target_seq[0, 0] = tokenizer.word_index['<sos>']

    # Sampling loop for a batch of sequences
    # (to simplify, here we assume a batch of size 1).
    stop_condition = False
    decoded_sentence = []
    while not stop_condition:
        output_tokens, h, c = decoder_model.predict(
            [target_seq]   states_value)

        # Sample a token
        sampled_token_index = np.argmax(output_tokens[0, -1, :])
        sampled_char = tokenizer.index_word[sampled_token_index]
        decoded_sentence.append(sampled_char)

        # Exit condition: either hit max length
        # or find stop character.
        if (sampled_char == '<eos>' or
           len(decoded_sentence) > 6):
            stop_condition = True

       # Update the target sequence (of length 1).
        target_seq = np.zeros((1,1))
        target_seq[0, 0] = sampled_token_index

        # Update states
        states_value = [h, c]
        
    return decoded_sentence

保存模型

然后我保存了訓練模型和兩個推理模型。我還保存了用于預處理資料的標記器。

model.save('training_model.h5')
encoder_model.save('encoder_model.h5')
decoder_model.save('decoder_model.h5')

with open('tokenizer.pickle', 'wb') as handle:
    pickle.dump(tokenizer, handle, protocol=pickle.HIGHEST_PROTOCOL)

加載模型

This is where I am getting stuck! In order to make predictions I need to load the layers and states: encoder_inputs, encoder_states, dex, decoder_inputs, decoder_lstm and decoder_dense

Attempt 1

At first I tried simply loading encoder_model and decoder_model then simply calling decode_sequence() but the loaded model had an accuracy of 0% - clearly the hidden states were not being saved as I expected them.

Attempt 2

I then attempted to load the layers of the initial training model and then recreating the inference model. Here is what I tried...

encoder_inputs = model.layers[0]
_, state_h, state_c = model.layers[4].output
encoder_states = [state_h, state_c]
decoder_inputs = model.layers[1]
decoder_lstm = model.layers[5]

Then re-ran the code in the Inference section.

This cause the following error...

ValueError: Input tensors to a Functional must come from `tf.keras.Input`. Received: <keras.engine.input_layer.InputLayer object at 0x16b7010a0> (missing previous layer metadata).

I am not really sure what to do at this point. Can anyone help?

uj5u.com熱心網友回復:

我想出了一個解決方案!這有點hacky,但它有效!以下是我保存和加載訓練模型所采取的步驟。

步驟 1 - 保存標記器和每個單獨層的權重

# Save the tokenizer
with open('tokenizer.pickle', 'wb') as handle:
    pickle.dump(tokenizer, handle, protocol=pickle.HIGHEST_PROTOCOL)

# save the weights individually
for layer in model.layers:
    weights = layer.get_weights()
    if weights != []:
        np.savez(f'{layer.name}.npz', weights)

第 2 步 - 加載分詞器和層

# load the tokenizer
with open('tokenizer.pickle', 'rb') as handle:
    tokenizer = pickle.load(handle)

# load the weights
w_encoder_embeddings = np.load('encoder_embeddings.npz', allow_pickle=True)
w_decoder_embeddings = np.load('decoder_embeddings.npz', allow_pickle=True)
w_encoder_lstm = np.load('encoder_lstm.npz', allow_pickle=True)
w_decoder_lstm = np.load('decoder_lstm.npz', allow_pickle=True)
w_dense = np.load('dense.npz', allow_pickle=True)

第 3 步 - 重新創建訓練模型

這是我的模型(有關更多詳細資訊,請參閱問題):

embedding_size = 175
vocab_size = len(tokenizer.word_index)   1

encoder_inputs = Input(shape=(None,), name="encoder_inputs")
encoder_embeddings = Embedding(vocab_size, embedding_size, mask_zero=True, name="encoder_embeddings")(encoder_inputs)

# Encoder lstm
encoder_lstm = LSTM(512, return_state=True, name="encoder_lstm")
encoder_outputs, state_h, state_c = encoder_lstm(encoder_embeddings)

# discard `encoder_outputs` and only keep the states.
encoder_states = [state_h, state_c]

# Set up the decoder, using `encoder_states` as initial state.
decoder_inputs = Input(shape=(None,), name="decoder_inputs")

# target word embeddings
decoder_embeddings = Embedding(vocab_size, embedding_size, mask_zero=True, name="decoder_embeddings")
training_decoder_embeddings = decoder_embeddings(decoder_inputs)

# decoder lstm
decoder_lstm = LSTM(512, return_sequences=True, return_state=True, name="decoder_lstm")
decoder_outputs, _, _ = decoder_lstm(training_decoder_embeddings,
                                     initial_state=encoder_states)

decoder_dense = TimeDistributed(Dense(vocab_size, activation='softmax'), name="dense")
decoder_outputs = decoder_dense(decoder_outputs)

# While training, model takes input and traget words and outputs target strings
loaded_model = Model([encoder_inputs, decoder_inputs], decoder_outputs, name="training_model")

現在我們想將我們保存的權重應用到這個模型中的層

# set the weights of the model

loaded_model.layers[2].set_weights(w_encoder_embeddings['arr_0'])
loaded_model.layers[3].set_weights(w_decoder_embeddings['arr_0'])
loaded_model.layers[4].set_weights(w_encoder_lstm['arr_0'])
loaded_model.layers[5].set_weights(w_decoder_lstm['arr_0'])
loaded_model.layers[6].set_weights(w_dense['arr_0'])

第 4 步 - 創建推理模型

encoder_model = Model(encoder_inputs, encoder_states)

# Redefine the decoder model with decoder will be getting below inputs from encoder while in prediction
decoder_state_input_h = Input(shape=(512,))
decoder_state_input_c = Input(shape=(512,))
decoder_states_inputs = [decoder_state_input_h, decoder_state_input_c]
inference_decoder_embeddings = decoder_embeddings(decoder_inputs)

decoder_outputs2, state_h2, state_c2 = decoder_lstm(inference_decoder_embeddings, initial_state=decoder_states_inputs)

decoder_states2 = [state_h2, state_c2]
decoder_outputs2 = decoder_dense(decoder_outputs2)

# sampling model will take encoder states and decoder_input(seed initially) and output the predictions(french word index) We dont care about decoder_states2
decoder_model = Model(
    [decoder_inputs]   decoder_states_inputs,
    [decoder_outputs2]   decoder_states2)

瞧!我現在可以使用之前訓練過的模型進行推理!

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/gongcheng/368675.html

標籤:python tensorflow machine-learning keras lstm

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