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机器学习实操 第二部分 神经网路和深度学习 第13章 使用TensorFlow加载和预处理数据

内容概要

第13章深入探讨了如何使用TensorFlow加载和预处理数据。本章首先介绍了tf.data API，它能够高效地加载和预处理大规模数据集，支持并行文件读取、数据打乱、批量处理等功能。接着，讨论了TFRecord格式，这是一种高效的二进制存储格式，适合存储大量数据。此外，还介绍了Keras预处理层，这些层可以直接嵌入到模型中，实现在训练和推理过程中对数据的自动预处理。最后，探讨了TensorFlow Datasets（TFDS）和TensorFlow Hub等工具，它们提供了便捷的数据加载和预处理功能。

主要内容

1. tf.data API

   • 核心概念：tf.data.Dataset表示数据项的序列，支持从多种数据源加载数据。
   • 数据转换：通过map()、filter()、batch()、shuffle()等方法对数据集进行转换。
   • 高效加载：支持多线程和排队机制，可在训练过程中并行加载和预处理数据。

2. TFRecord格式

   • 简介：TFRecord是TensorFlow的首选数据存储格式，支持高效读取和存储大量数据。
   • 读写操作：使用tf.io.TFRecordWriter写入数据，使用tf.data.TFRecordDataset读取数据。
   • 协议缓冲区（Protocol Buffers）：TFRecord文件通常包含序列化的协议缓冲区，支持灵活和高效的数据表示。

3. Keras预处理层

   • 归一化层：用于标准化数值特征，可在模型内部直接进行数据归一化。
   • 分类特征编码：包括StringLookup、Hashing、Embedding等层，用于处理分类文本特征和嵌入表示。
   • 文本预处理：TextVectorization层支持文本向量化，适用于自然语言处理任务。
   • 图像预处理：提供Resizing、Rescaling、CenterCrop等层，用于图像大小调整、像素值缩放和中心裁剪。

4. 数据加载工具

   • TensorFlow Datasets (TFDS)：简化常见数据集的加载过程，支持多种数据集类型，可自动下载和预处理数据。
   • TensorFlow Hub：提供预训练模型组件，便于在项目中复用强大的预训练模型。

关键代码和算法

13.1 使用tf.data API创建数据集

import tensorflow as tf# 创建数据集
X = tf.range(10)
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(X)# 数据转换
dataset = dataset.repeat(3).batch(7)# 使用map()进行预处理
dataset = dataset.map(lambda x: x * 2)# 数据打乱和批量处理
dataset = dataset.shuffle(buffer_size=4).batch(32).prefetch(1)

13.2 创建TFRecord文件并读取

# 写入TFRecord文件
with tf.io.TFRecordWriter("my_data.tfrecord") as f:f.write(b"This is the first record")f.write(b"And this is the second record")# 读取TFRecord文件
dataset = tf.data.TFRecordDataset(["my_data.tfrecord"])
for item in dataset:print(item)

13.3 使用Keras预处理层

# 归一化层
norm_layer = tf.keras.layers.Normalization()
norm_layer.adapt(X_train)
model = tf.keras.models.Sequential([norm_layer, tf.keras.layers.Dense(1)])# 分类特征编码
str_lookup_layer = tf.keras.layers.StringLookup()
str_lookup_layer.adapt(cities)
cat_embeddings = tf.keras.layers.Embedding(input_dim=str_lookup_layer.vocabulary_size(), output_dim=2)
lookup_and_embed = tf.keras.Sequential([str_lookup_layer, cat_embeddings])# 文本向量化
text_vec_layer = tf.keras.layers.TextVectorization()
text_vec_layer.adapt(train_data)

精彩语录

1. 中文：tf.data API是TensorFlow中用于加载和预处理数据的强大工具。
   英文原文：The tf.data API is TensorFlow’s preferred way to load and preprocess data efficiently.
   解释：强调了tf.data API在数据处理中的重要性。

2. 中文：Keras预处理层可以嵌入到模型中，确保在训练和推理过程中自动进行数据预处理。
   英文原文：Keras preprocessing layers can be embedded in your models to preprocess data on the fly during training and inference.
   解释：介绍了Keras预处理层的优势。

3. 中文：TFRecord格式是TensorFlow的首选数据存储格式，支持高效读取和存储大量数据。
   英文原文：The TFRecord format is TensorFlow’s preferred format for storing large amounts of data and reading it efficiently.
   解释：解释了TFRecord格式的用途和优势。

4. 中文：使用预训练模型组件可以显著加快模型开发和部署的速度。
   英文原文：Using pretrained model components can significantly accelerate model development and deployment.
   解释：强调了预训练模型组件的实用性。

5. 中文：数据加载和预处理是深度学习中的关键技能，尤其是在处理大规模数据集时。
   英文原文：Loading and preprocessing data efficiently is a crucial skill in deep learning, especially when dealing with large datasets.
   解释：突出了数据处理技能的重要性。

总结

通过本章的学习，读者将掌握使用TensorFlow加载和预处理数据的方法。内容涵盖了tf.data API的使用、TFRecord格式的读写、Keras预处理层的应用，以及TensorFlow Datasets和TensorFlow Hub的使用。这些技能对于高效处理大规模数据集、优化模型训练过程以及简化模型部署具有重要意义。