python - 使用基本的低级 TensorFlow 训练循环训练 tf.keras 模型不起作用

Question

注意:用于重现我的问题的独立示例的所有代码都可以在下面找到。

我有一个 tf.keras.models.Model 实例，需要使用用低级 TensorFlow API 编写的训练循环对其进行训练。

问题:使用基本的标准低级 TensorFlow 训练循环训练完全相同的 tf.keras 模型一次，使用 Keras 自己的 model.fit() 方法训练一次会产生非常不同的结果。我想找出我在低级 TF 训练循环中做错了什么。

该模型是我在 Caltech256 上训练的一个简单的图像分类模型(链接到下面的 tfrecords)。

在低级 TensorFlow 训练循环中，训练损失首先会减少，但在 1000 次训练步骤之后，损失会达到稳定水平，然后再次开始增加:

另一方面，使用正常的 Keras 训练循环在同一数据集上训练同一模型，可以按预期工作:

我在低级 TensorFlow 训练循环中缺少什么？

这里是重现问题的代码(下载 TFRecords，链接在底部):

import tensorflow as tf
from tqdm import trange
import sys
import glob
import os

sess = tf.Session()
tf.keras.backend.set_session(sess)

num_classes = 257
image_size = (224, 224, 3)

# Build a tf.data.Dataset from TFRecords.

tfrecord_directory = 'path/to/tfrecords/directory'

tfrecord_filennames = glob.glob(os.path.join(tfrecord_directory, '*.tfrecord'))

feature_schema = {'image': tf.FixedLenFeature([], tf.string),
                  'filename': tf.FixedLenFeature([], tf.string),
                  'label': tf.FixedLenFeature([], tf.int64)}

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(tfrecord_filennames)
dataset = dataset.shuffle(len(tfrecord_filennames)) # Shuffle the TFRecord file names.
dataset = dataset.flat_map(lambda filename: tf.data.TFRecordDataset(filename))
dataset = dataset.map(lambda single_example_proto: tf.parse_single_example(single_example_proto, feature_schema)) # Deserialize tf.Example objects.
dataset = dataset.map(lambda sample: (sample['image'], sample['label']))
dataset = dataset.map(lambda image, label: (tf.image.decode_jpeg(image, channels=3), label)) # Decode JPEG images.
dataset = dataset.map(lambda image, label: (tf.image.resize_image_with_pad(image, target_height=image_size[0], target_width=image_size[1]), label))
dataset = dataset.map(lambda image, label: (tf.image.per_image_standardization(image), label))
dataset = dataset.map(lambda image, label: (image, tf.one_hot(indices=label, depth=num_classes))) # Convert labels to one-hot format.
dataset = dataset.shuffle(buffer_size=10000)
dataset = dataset.repeat()
dataset = dataset.batch(32)

iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
features, labels = iterator.get_next()

# Build a simple model.

input_tensor = tf.keras.layers.Input(shape=image_size)
x = tf.keras.layers.Conv2D(64, (3,3), strides=(2,2), activation='relu', kernel_initializer='he_normal')(input_tensor)
x = tf.keras.layers.Conv2D(64, (3,3), strides=(2,2), activation='relu', kernel_initializer='he_normal')(x)
x = tf.keras.layers.Conv2D(128, (3,3), strides=(2,2), activation='relu', kernel_initializer='he_normal')(x)
x = tf.keras.layers.Conv2D(256, (3,3), strides=(2,2), activation='relu', kernel_initializer='he_normal')(x)
x = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()(x)
x = tf.keras.layers.Dense(num_classes, activation=None, kernel_initializer='he_normal')(x)
model = tf.keras.models.Model(input_tensor, x)

这是简单的 TensorFlow 训练循环:

# Build the training-relevant part of the graph.

model_output = model(features)

loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2(labels=tf.stop_gradient(labels), logits=model_output))

train_op = tf.train.AdamOptimizer().minimize(loss)

# The next block is for the metrics.
with tf.variable_scope('metrics') as scope:
    predictions_argmax = tf.argmax(model_output, axis=-1, output_type=tf.int64)
    labels_argmax = tf.argmax(labels, axis=-1, output_type=tf.int64)
    mean_loss_value, mean_loss_update_op = tf.metrics.mean(loss)
    acc_value, acc_update_op = tf.metrics.accuracy(labels=labels_argmax, predictions=predictions_argmax)
    local_metric_vars = tf.contrib.framework.get_variables(scope=scope, collection=tf.GraphKeys.LOCAL_VARIABLES)
    metrics_reset_op = tf.variables_initializer(var_list=local_metric_vars)

# Run the training

epochs = 3
steps_per_epoch = 1000

fetch_list = [mean_loss_value,
              acc_value,
              train_op,
              mean_loss_update_op,
              acc_update_op]

sess.run(tf.global_variables_initializer())
sess.run(tf.local_variables_initializer())

with sess.as_default():

    for epoch in range(1, epochs+1):

        tr = trange(steps_per_epoch, file=sys.stdout)
        tr.set_description('Epoch {}/{}'.format(epoch, epochs))

        sess.run(metrics_reset_op)

        for train_step in tr:

            ret = sess.run(fetch_list, feed_dict={tf.keras.backend.learning_phase(): 1})

            tr.set_postfix(ordered_dict={'loss': ret[0],
                                         'accuracy': ret[1]})

下面是标准的 Keras 训练循环，它按预期工作。请注意，需要将上述模型中密集层的激活从 None 更改为 'softmax' 才能使 Keras 循环正常工作。

epochs = 3
steps_per_epoch = 1000

model.compile(optimizer='adam',
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

history = model.fit(dataset,
                    epochs=epochs,
                    steps_per_epoch=steps_per_epoch)

您可以下载 Caltech256 数据集 here 的 TFRecords (大约 850 MB)。

更新:

我已经设法解决了这个问题:替换低级 TF 损失函数

loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2(labels=tf.stop_gradient(labels), logits=model_output))

通过它的 Keras 等效项

loss = tf.reduce_mean(tf.keras.backend.categorical_crossentropy(target=labels, output=model_output, from_logits=True))

成功了。现在低级 TensorFlow 训练循环的行为就像 model.fit()。

这提出了一个新问题:

tf.keras.backend.categorical_crossentropy() 做了什么，tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2() 不会导致后者表现更差？ (我知道后者需要 logits，而不是 softmax 输出，所以这不是问题)

Answer 1

替换低级TF损失函数

loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2(labels=tf.stop_gradient(labels), logits=model_output))

通过它的 Keras 等效项

loss = tf.reduce_mean(tf.keras.backend.categorical_crossentropy(target=labels, output=model_output, from_logits=True))

成功了。现在低级 TensorFlow 训练循环的行为就像 model.fit()。

但是，我不知道这是为什么。如果有人知道为什么 tf.keras.backend.categorical_crossentropy() 表现良好而 tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2() 根本不起作用，请发布答案。

另一个重要提示:

为了训练具有低级 TF 训练循环和 tf.data.Dataset 对象的 tf.keras 模型，通常不应调用迭代器输出上的模型。也就是说，不应该这样做:

model_output = model(features)

相反，应该创建一个模型，其中输入层设置为基于迭代器输出而不是创建占位符，如下所示:

input_tensor = tf.keras.layers.Input(tensor=features)

在本示例中这无关紧要，但如果模型中的任何层具有需要在训练期间运行的内部更新(例如 BatchNormalization)，则它变得相关。