本文将使用 Tensorflow 中包含的 Fashion MNIST 数据集。该数据集在训练集中包含 60,000 张灰度图像，在测试集中包含 10,000 张图像。 每张图片代表属于 10 个类别之一的单品（“T 恤/上衣”、“裤子”、“套头衫”等）。 因此这是一个多类分类问题。
首先我们需要安装keras_tuner，它将帮助我们轻松调整神经网络的超参数：

pip install keras-tuner

• 加载数据。
• 分为训练集、验证集和测试集。
• 将像素值从 0–255 标准化到 0–1 范围。
• One-hot 编码目标变量。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import keras_tuner as kt
from sklearn.model_selection import train_test_split

• 加载数据

(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = keras.datasets.fashion_mnist.load_data()

• 分为训练集、验证集和测试集。

train_x, val_x, train_y, val_y = train_test_split(train_images, train_labels, stratify=train_labels, random_state=48, test_size=0.05)
(test_x, test_y)=(test_images, test_labels)

• 将像素值从 0–255 标准化到 0–1 范围。

# normalize pixels to range 0-1
train_x = train_x / 255.0
val_x = val_x / 255.0
test_x = test_x / 255.0

• One-hot 编码目标变量。

train_y=tf.one_hot(train_y,10)
val_y=tf.one_hot(val_y,10)
test_y=tf.one_hot(test_y,10)

参看训练集、验证集、测试集的形状

print(train_x.shape)  #(57000, 28, 28)
print(train_y.shape)  #(57000, 10)
print(val_x.shape)    #(3000, 28, 28)
print(val_y.shape)    #(3000, 10)
print(test_x.shape)   #(10000, 28, 28)
print(test_y.shape)   #(10000, 10)

超参数调整是机器学习项目的基础部分。 有两种类型的超参数：

• 结构超参数：定义模型的整体架构（例如隐藏单元的数量、层数）
• 优化器超参数：影响训练速度和质量的参数（例如学习率和优化器类型、批量大小、轮次数等）

为什么需要超参数调优库？ 我们不能尝试所有可能的组合，看看验证集上什么是最好的吗？

这肯定是不行的因为深度神经网络需要大量时间来训练，甚至几天。 如果在云服务器上训练大型模型，那么每个实验实验都需要花很多的钱。

因此，需要一种限制超参数搜索空间的剪枝策略。

keras_tuner提供了贝叶斯优化器。 它搜索每个可能的组合，而是随机选择前几个。 然后根据这些超参数的性能，选择下一个可能的最佳值。因此每个超参数的选择都取决于之前的尝试。 根据历史记录选择下一组超参数并评估性能，直到找到最佳组合或到达最大试验次数。 我们可以使用参数“max_trials”来配置它。

除了贝叶斯优化器之外，keras-tuner还提供了另外两个常见的方法：RandomSearch 和 Hyperband。 我们将在本文末尾讨论它们。

接下来就是对我们的网络应用超参数调整。我们尝试两种网络架构，标准多层感知器（MLP）和卷积神经网络（CNN）。

1 MLP

调优过程需要两种主要方法：

hp.Int()：设置超参数的范围，其值为整数 - 例如，密集层中隐藏单元的数量：

model.add(Dense(units = hp.Int('dense-bot', min_value=50, max_value=350, step=50))

hp.Choice()：为超参数提供一组值——例如，Adam 或 SGD 作为最佳优化器？

hp_optimizer=hp.Choice('Optimizer', values=['Adam', 'SGD'])

在我们的 MLP 示例中，我们测试了以下超参数：

隐藏层数：1-3
第一密集层大小：50–350
第二和第三密集层大小：50–350
Dropout：0、0.1、0.2
优化器：SGD(nesterov=True,momentum=0.9) 或 Adam
学习率：0.1、0.01、0.001

def build_model_MLP(hp):
    model = keras.Sequential()
    model.add(keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)))
    model.add(keras.layers.Dense(units = hp.Int('dense-bot', min_value=50, max_value=350, step=50), input_shape=(784,), activation='relu'))

    for i in range(hp.Int('num_dense_layers', 1, 2)):
        model.add(keras.layers.Dense(units=hp.Int('dense_' + str(i), min_value=50, max_value=100, step=25), activation='relu'))
        model.add(keras.layers.Dropout(hp.Choice('dropout_'+ str(i), values=[0.0, 0.1, 0.2])))

    model.add(keras.layers.Dense(10,activation="softmax"))

    hp_optimizer=hp.Choice('Optimizer', values=['Adam', 'SGD'])
    if hp_optimizer == 'Adam':
        hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-1, 1e-2, 1e-3])
    elif hp_optimizer == 'SGD':
        hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-1, 1e-2, 1e-3])
        nesterov=True
        momentum=0.9
        
    model.compile(optimizer = hp_optimizer, loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    return model

这里需要注意第 5 行的 for 循环：让模型决定网络的深度！

最后，就是运行了.

tuner = kt.Hyperband(build_model_MLP,
                     objective='val_loss',  # 优化的目标，验证集accuracy
                     max_epochs=30,  # 最大迭代次数
                     factor=3,
                     directory='my_dir_MLP',  # my_dir/intro_to_kt目录包含超参数搜索期间运行的详细日志和checkpoints
                     project_name='intro_to_kt_MLP')

stop_early = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=5)

tuner.search(train_x, train_y, epochs=10, validation_data=(val_x, val_y),
             callbacks=[stop_early])

运行的过程是这样的

运行完之后是这样的：

们还可以使用以下命令打印模型的最佳超参数：

best_hps=tuner.get_best_hyperparameters(num_trials=1)[0]
print("Best Hyper-parameters")
best_hps.values

现在我们可以使用最优超参数重新训练我们的模型：

model_mlp = keras.Sequential()
model_mlp.add(keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)))
model_mlp.add(keras.layers.Dense(best_hps['dense-bot'], input_shape=(784,), activation='relu'))

for i in range(best_hps['num_dense_layers']):
  model_mlp.add(keras.layers.Dense(units=best_hps['dense_' +str(i)], activation='relu'))
  model_mlp.add(keras.layers.Dropout(rate=best_hps['dropout_' +str(i)]))
 
model_mlp.add(keras.layers.Dense(10,activation="softmax"))
model_mlp.summary()

或者，我们可以用这些参数重新训练我们的模型：

model_mlp=tuner_mlp.hypermodel.build(best_mlp_hyperparameters)

history_mlp=model_mlp.fit(train_x, train_y, epochs=100, batch_size=32, 
                           validation_data=(dev_x, dev_y), callbacks=callback)

然后测试准确率

mlp_test_loss, mlp_test_acc = model_mlp.evaluate(test_x,  test_y, verbose=2)
print('\nTest accuracy:', mlp_test_acc)

然后测试集上的准确率可以达到0.8921999931335449

然后我们换一个模型试试：

def build_model_MLP(hp):
    model = keras.Sequential()
    model.add(keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)))
    model.add(keras.layers.Dense(units = hp.Int('dense-bot', min_value=50, max_value=350, step=50), input_shape=(784,), activation='relu'))
    model.add(keras.layers.Dropout(hp.Choice('dropout', values=[0.0, 0.1, 0.2])))
    for i in range(hp.Int('num_dense_layers', 1, 2 )):
        model.add(keras.layers.Dense(units=hp.Int('dense_' + str(i), min_value=50, max_value=100, step=25), activation='relu'))
        model.add(keras.layers.Dropout(hp.Choice('dropout_'+ str(i), values=[0.0, 0.1, 0.2])))

    model.add(keras.layers.Dense(10,activation="softmax"))

    hp_optimizer=hp.Choice('Optimizer', values=['Adam', 'SGD'])
    if hp_optimizer == 'Adam':
        hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-1, 1e-2, 1e-3])
    elif hp_optimizer == 'SGD':
        hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-1, 1e-2, 1e-3])
        nesterov=True
        momentum=0.9
        
    model.compile(optimizer = hp_optimizer, loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    return model

tuner = kt.Hyperband(build_model_MLP,
                     objective='val_loss',  # 优化的目标，验证集accuracy
                     max_epochs=30,  # 最大迭代次数
                     factor=3,#有人知道这个有啥作用吗？？？
                     directory='my_dir_MLP_2',  # my_dir/intro_to_kt目录包含超参数搜索期间运行的详细日志和checkpoints
                     project_name='intro_to_kt_MLP_2')

stop_early = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=5)

tuner.search(train_x, train_y, epochs=10, validation_data=(val_x, val_y),
             callbacks=[stop_early])

训练完之后：

best_hps=tuner.get_best_hyperparameters(num_trials=1)[0]
print("Best Hyper-parameters")
best_hps.values

查看并加载模型

model = tuner.hypermodel.build(best_hps)
model.summary()

history_mlp=model.fit(train_x, train_y, epochs=50, batch_size=32, validation_data=(val_x, val_y))

用这个模型准确率可以提高到0.8949999809265137

test_loss, test_acc = model.evaluate(test_x,  test_y, verbose=2)
print('\nTest accuracy:', test_acc)

与基线的模型测试精度相比：

最佳 MLP 模型：89.4 %。

下面我们使用相同的流程，将MLP改为CNN，这样可以测试更多参数。

2 CNN

于调优，我们将测试以下内容：

• 卷积、MaxPooling 和 Dropout 层的“块”数
• 每个块中 Conv 层的过滤器大小：32、64
• 转换层上的有效或相同填充
• 最后一个额外层的隐藏层大小：25-150，乘以 25
• 优化器：SGD（nesterov=True，动量=0.9）或 Adam
• 学习率：0.01、0.001

def build_model_CNN(hp):

    model = keras.Sequential()
   # model.add(Input(shape=(28, 28, 1)))
    
    for i in range(hp.Int('num_blocks', 1, 2)):
        hp_padding=hp.Choice('padding_'+ str(i), values=['valid', 'same'])
        hp_filters=hp.Choice('filters_'+ str(i), values=[32, 64])

        model.add(keras.layers.Conv2D(hp_filters, (3, 3), padding=hp_padding, activation='relu', kernel_initializer='he_uniform', input_shape=(28, 28, 1)))
        model.add(keras.layers.MaxPooling2D((2, 2)))
        model.add(keras.layers.Dropout(hp.Choice('dropout_'+ str(i), values=[0.0, 0.1, 0.2])))

    model.add(keras.layers.Flatten())

    hp_units = hp.Int('units', min_value=25, max_value=150, step=25)
    model.add(keras.layers.Dense(hp_units, activation='relu', kernel_initializer='he_uniform'))

    model.add(keras.layers.Dense(10,activation="softmax"))

    hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-2, 1e-3])
    hp_optimizer=hp.Choice('Optimizer', values=['Adam', 'SGD'])

    if hp_optimizer == 'Adam':
        hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-2, 1e-3])
    elif hp_optimizer == 'SGD':
        hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values=[1e-2, 1e-3])
        nesterov=True
        momentum=0.9
        
    model.compile( optimizer=hp_optimizer,loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
    
    return model

tuner = kt.Hyperband(build_model_CNN,
                     objective='val_loss',  # 优化的目标，验证集accuracy
                     max_epochs=30,  # 最大迭代次数
                     factor=3,
                     directory='my_dir_CNN_2',  # 目录包含超参数搜索期间运行的详细日志和checkpoints
                     project_name='intro_to_kt_CNN_2')

stop_early = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=5)

tuner.search(train_x, train_y, epochs=10, validation_data=(val_x, val_y),
             callbacks=[stop_early])

训练完之后就是这样的

best_hps=tuner.get_best_hyperparameters(num_trials=1)[0]

best_hps.values

查看并训练模型

model = tuner.hypermodel.build(best_hps)
print(model.summary())

history = model.fit(train_x, train_y, epochs=50, validation_split=0.2)

查看最好的epoch

val_acc_per_epoch = history.history['val_accuracy']
best_epoch = val_acc_per_epoch.index(max(val_acc_per_epoch)) + 1
print('Best epoch: %d' % (best_epoch,))

重新实例化超模型，并用上面的最佳历元数对其进行训练。

#重新实例化超模型，并用上面的最佳历元数对其进行训练。
hypermodel = tuner.hypermodel.build(best_hps)
 
# 重新选练model
hypermodel.fit(train_x, train_y, epochs=best_epoch)

在测试数据上评估超模型

#在测试数据上评估超模型
eval_result = hypermodel.evaluate(test_x, test_y)
print("[test loss, test accuracy]:", eval_result)

然后准确率有92%

在每种情况下都选择了一个非零的 Dropout 值，即使我们也提供了零 Dropout。 这是意料之中的，因为 Dropout 是一种减少过拟合的机制。有趣的是，最好的 CNN 架构是标准CNN，其中过滤器的数量在每一层中逐渐增加。 这是意料之中的，因为随着后续层的增加，模式变得更加复杂（这也是我们在学习各种模型和论文时被证明的结果）需要更多的过滤器才能捕获这些模式组合。

以上例子也说明Keras Tuner 是使用 Tensorflow 优化深度神经网络的很好用的工具。

我们上面也说了本文选择是贝叶斯优化器。 但是还有两个其他的选项：

RandomSearch：随机选择其中的一些来避免探索超参数的整个搜索空间。 但是，它不能保证会找到最佳超参数

Hyperband：选择一些超参数的随机组合，并仅使用它们来训练模型几个 epoch。 然后使用这些超参数来训练模型，直到用尽所有 epoch 并从中选择最好的。

参考文献:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/527464783

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