用來創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種樣式之間的利弊權(quán)衡

關(guān)于 TensorFlow 2.0, 我最喜歡的一點(diǎn)是它提供了多個(gè)抽象級別，因此您可以為您的項(xiàng)目選擇合適的抽象級別。在本文中，我將為您解釋用來創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種樣式之間的利弊權(quán)衡。第一種是符號樣式，通過操作層形成的圖 (graph of layers) 來構(gòu)建模型。第二種是命令式樣式，通過擴(kuò)展類來構(gòu)建模型。我將介紹這些樣式并討論重要的設(shè)計(jì)和可用性權(quán)衡。我將詳細(xì)介紹技術(shù)細(xì)節(jié)，并提供快速建議以幫助您為目標(biāo)選擇合適的方法。

符號式（或聲明的）API

通常我們會(huì)用 “層形成的圖” 來想象神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示。

通常我們會(huì)用 “層形成的圖” 來想象神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( 這些圖片是用于初始化 Inception-ResNet 的模式 )

這種圖可以是左側(cè)顯示的 DAG ( 有向無環(huán)圖 )，也可以是右側(cè)顯示的堆棧。當(dāng)我們符號化地構(gòu)建模型時(shí)，我們通過描述該圖的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

這聽起來很技術(shù)性，那么如果你使用了 Keras，你可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)你已經(jīng)有過這樣的經(jīng)驗(yàn)了。以下是使用 Keras Sequential API 以符號樣式構(gòu)建模型的快速示例。

使用 Keras Sequential API 符號化構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。你可以在https://colab.research.google.com/github/tensorflow/docs/blob/master/site/en/tutorials/_index.ipynb運(yùn)行這個(gè)例子

在上面的示例中，我們已經(jīng)定義了一堆圖層，然后使用內(nèi)置的訓(xùn)練循環(huán) model.fit 來訓(xùn)練它。

使用 Keras 構(gòu)建模型就像 “把樂高積木拼在一起” 一樣簡單。為什么這樣說呢？我們后面將介紹其中的技術(shù)原因，以這種方式定義網(wǎng)絡(luò)，除了符合我們的想象之外，更易于調(diào)試，它可以通過盡早捕獲詳細(xì)的錯(cuò)誤信息從而進(jìn)行調(diào)試，以便及早的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖中顯示了上面代碼創(chuàng)建的模型（使用 plot_model 構(gòu)建，您可以在本文的下一個(gè)示例中重用代碼片段）

TensorFlow 2.0 提供了另一種符號模型構(gòu)建 API：Keras Functional。Sequential 用于堆棧，而 Functional 用于 DAG ( 有向無環(huán)圖 )。

使用 Functional API 創(chuàng)建多輸入 / 多輸出模型的快速示例

Functional API 是一種創(chuàng)建更靈活模型的方法。它可以處理非線性拓?fù)?(non-linear topology)，具有共享層的模型以及具有多個(gè)輸入或輸出的模型?；旧?，F(xiàn)unctional API 是一組用于構(gòu)建這些層形成的圖的工具?，F(xiàn)在我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了幾種新的教程。

您可能會(huì)遇到其他符號式 API。例如，TensorFlow v1（和 Theano）提供了更低級別的 API。您可以通過創(chuàng)建一個(gè)由 ops（操作）組成的圖來構(gòu)建模型，然后對其進(jìn)行編譯和執(zhí)行。有時(shí)，使用此 API 會(huì)讓你感覺就像直接與編譯器進(jìn)行交互一樣。對于許多人（包括作者）而言，這是很不簡單的。

相比之下，在 Keras 中，抽象的水平是與我們想象的方式相匹配的：由層構(gòu)成的圖，像樂高積木一樣疊在一起。這感覺很自然，這是我們在 TensorFlow 2.0 中標(biāo)準(zhǔn)化的模型構(gòu)建方法之一。還有一個(gè)方法我將要為你描述（你很有可能也用過這個(gè)，也許很快你就有機(jī)會(huì)試一試）。

命令式（或模型子類）API

在命令式風(fēng)格中，您可以像編寫 NumPy 一樣編寫模型。以這種方式構(gòu)建模型就像面向?qū)ο蟮?Python 開發(fā)一樣。下面是一個(gè)子類化模型的簡單示例：

使用命令式樣式來構(gòu)建一個(gè)帶有注意圖像字幕的模型（注意：此示例目前正在更新）（https://github.com/tensorflow/docs/blob/master/site/en/r2/tutorials/generative/image_captioning.ipynb）

從開發(fā)人員的角度來看，它的工作方式是擴(kuò)展框架定義的 Model 類，實(shí)例化圖層，然后命令性地編寫模型的正向傳遞（反向傳遞會(huì)自動(dòng)生成）。

TensorFlow 2.0 支持 Keras Subclassing API 開箱即用。與 Sequential 和 Functional API 一起，它也是在 TensorFlow 2.0 中開發(fā)模型的推薦方法之一。

雖然這種風(fēng)格對于 TensorFlow 來說是全新的，但是您可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)它是由 Chainer 在 2015 年推出的（時(shí)間過得真快！）。從那時(shí)起，許多框架采用了類似的方法，包括 Gluon，PyTorch 和 TensorFlow（使用 Keras Subclassing）。令人驚訝的是，在不同框架中以這種風(fēng)格編寫的代碼可能會(huì)看起來如此相似，甚至很難區(qū)分！

這種風(fēng)格為您提供了極大的靈活性，但它的可用性和維護(hù)成本并不明顯。關(guān)于這一點(diǎn)，我們稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

訓(xùn)練循環(huán)

以 Sequential，F(xiàn)unctional 或 Subclassing 樣式定義的模型可以通過兩種方式進(jìn)行訓(xùn)練。您可以使用內(nèi)置的訓(xùn)練例程和損失函數(shù)（請參閱第一個(gè)示例，我們使用 model.fit 和 model.compile），或者如果您需要增加自定義訓(xùn)練循環(huán)的復(fù)雜性（例如，如果您喜歡編寫自己的梯度裁剪代碼）或損失函數(shù)，您可以輕松完成如下操作：

Pix2Pix 的自定義訓(xùn)練循環(huán)和損失功能的示例

這兩種方法都很重要，并且可以方便地降低代碼復(fù)雜性和維護(hù)成本?；旧希梢栽谟行枰臅r(shí)候使用額外的復(fù)雜性，當(dāng)不必要的時(shí)候，使用內(nèi)置的方法把時(shí)間花在您的研究或項(xiàng)目上。

既然我們已經(jīng)對符號樣式和命令樣式有了一定的了解，那就讓我們來看看折中方案。

符號式 API 的優(yōu)點(diǎn)和局限性

優(yōu)點(diǎn)

使用符號化 API，您的模型是一個(gè)類似圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這意味著可以對您的模型進(jìn)行檢查或匯總。

您可以將其繪制為圖像以顯示圖（使用 keras.utils.plot_model），或者直接使用 model.summary()，或者參見圖層，權(quán)重和形狀的描述來顯示圖形

同樣，在將圖層連接在一起時(shí)，庫設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)行廣泛的圖層兼容性檢查（在構(gòu)建模型時(shí)和執(zhí)行之前）。

這類似于編譯器中的類型檢查，可以大大減少開發(fā)人員錯(cuò)誤

大多數(shù)調(diào)試將在模型定義階段進(jìn)行，而不是在執(zhí)行期間進(jìn)行。這樣您可以保證任何編譯的模型都會(huì)運(yùn)行?？梢约涌斓俣?，并使調(diào)試更容易

符號模型提供了一致的 API。 這使得它們易于重用和共享。例如，在遷移學(xué)習(xí)中，您可以訪問中間層激活來從現(xiàn)有的模型中構(gòu)建新模型，如下所示：

```

from tensorflow.keras.applications.vgg19 import VGG19

base = VGG19(weights='imagenet')

model = Model(inputs=base.input, outputs=base_model.get_layer('block4_pool').output)

image = load('elephant.png')

block4_pool_features = model.predict(image)

```

符號模型由一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得它們可以自然地復(fù)制或克隆。

例如，Sequential 和 Functional API 為您提供 model.get_config()，model.to_json()，model.save()，clone_model(model)，能夠在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中重新創(chuàng)建相同的模型 ( 無需使用原始代碼來定義和訓(xùn)練模型 )

雖然一個(gè)設(shè)計(jì)良好的 API 應(yīng)該與我們想象中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相匹配，但同樣重要的是符合我們作為程序員的想象方式。對于我們許多人來說，這是一種命令式的編程風(fēng)格。在符號化 API 中，您正在操作 “符號張量”（這些是尚未保留任何值的張量）來構(gòu)建圖。Keras Sequential 和 Functional API “感覺” 勢在必行。它們的設(shè)計(jì)使許多開發(fā)人員沒有意識到他們已經(jīng)象征性地定義了模型。

局限性

當(dāng)前的符號 API 最適合開發(fā)層的有向無環(huán)圖模型。這在實(shí)踐中占了大多數(shù)用例，盡管有一些特殊的用例不適合這種簡潔的抽象，例如，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)（如樹狀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和遞歸網(wǎng)絡(luò)。

這就是為什么 TensorFlow 還提供了一種命令式的模型構(gòu)建 API 風(fēng)格（Keras Subclassing，如上所示）。 您可以使用 Sequential 和 Functional API 中所有熟悉的層，初始化器和優(yōu)化器。這兩種樣式也是完全可互操作的，因此您可以混合搭配（例如，您可以將一種模型類型嵌套在另一種模型類型中）。您可以將符號模型用作子類模型中的一個(gè)層，或者相反。

命令式 API 的優(yōu)點(diǎn)和局限性

優(yōu)點(diǎn)

您的正向傳遞是命令式編寫的，你可以很容易地將庫實(shí)現(xiàn)的部分（例如，圖層，激活或損失函數(shù)）與您自己的實(shí)現(xiàn)交換掉。這對于編程來說是很自然的，并且是深入了解深度學(xué)習(xí)的一個(gè)好方法。

這使得快速嘗試新想法變得容易（DL 開發(fā)工作流程變得與面向?qū)ο蟮?Python 相同），對研究人員尤其有用

使用 Python 在模型的正向傳遞中指定任意控制流也很容易

命令式 API 為您提供了最大的靈活性，但是這是有代價(jià)的。我也喜歡用這種風(fēng)格編寫代碼，但是我想花點(diǎn)時(shí)間強(qiáng)調(diào)一下這種風(fēng)格的局限性（了解其中的利弊是很好的）。

局限性

重要的是，在使用命令式 API 時(shí)，您的模型由類方法的主體定義的。您的模型不再是透明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一段不透明的字節(jié)碼。在使用這種風(fēng)格時(shí)，您需要犧牲可用性和可重用性來獲得靈活性。

在執(zhí)行期間進(jìn)行調(diào)試，而不是在定義模型時(shí)進(jìn)行調(diào)試。

輸入或?qū)娱g兼容性幾乎沒有被檢查到，因此在使用此樣式時(shí)，很多調(diào)試負(fù)擔(dān)從框架轉(zhuǎn)移到開發(fā)人員

命令式模型可能更難以重用。例如，您無法使用一致的 API 訪問中間圖層或激活。

相反，提取激活的方法是使用新的調(diào)用（或 forward）方法編寫新類。一開始寫起來可能很有趣，做起來也很簡單，但這可能會(huì)導(dǎo)致沒有標(biāo)準(zhǔn)的 tech debt

命令模型也更難以檢查，復(fù)制或克隆。

例如，model.save()，model.get_config()和 clone_model 不適合用于子類模型。同樣，model.summary()只提供一個(gè)圖層列表（并不提供有關(guān)它們?nèi)绾芜B接的信息，因?yàn)樗豢稍L問）

ML 系統(tǒng)中的 Technical Debt

重要的是要記住，模型構(gòu)建只是在實(shí)踐中使用機(jī)器學(xué)習(xí)的一小部分。這是我最喜歡的一部分。模型本身（代碼中指定層、訓(xùn)練循環(huán)等部分）是中間的小盒子。

如圖所示，只有一小部分真實(shí) ML 系統(tǒng)由 ML 代碼組成

由中間的小黑匣子進(jìn)行。避免機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中隱藏的 Technical Debt

符號定義的模型在可重用性，調(diào)試和測試方面具有優(yōu)勢。例如，在教學(xué)時(shí) — 如果他們使用的是 Sequential API，我可以立即調(diào)試學(xué)生的代碼。當(dāng)他們使用子類模型（不管框架是什么）時(shí)，它需要更長的時(shí)間（bug 可能更微妙，并且有許多類型）。

結(jié)論

TensorFlow 2.0 支持這兩種開箱即用的樣式，因此您可以為您的項(xiàng)目選擇合適的抽象級別（和復(fù)雜性）。

如果您的目標(biāo)是易用性，低概念開銷 (low conceptual overhead)，并且您希望將模型視為層構(gòu)成的圖：使用 Keras Sequential 或 Functional API（如將樂高積木拼在一起）和內(nèi)置的訓(xùn)練循環(huán)。這是解決大多數(shù)問題的正確方法

如果您希望將模型視為面向?qū)ο蟮?Python / Numpy 開發(fā)人員，并且優(yōu)先考慮靈活性和可編程性而不是易用性（以及易于重用），Keras Subclassing 是適合您的 API