2020-12-11 keras通过model.fit_generator训练模型(节省内存)

梦里梦外; 2022-12-27 12:57 86阅读 0赞

# keras通过model.fit\_generator训练模型(节省内存) #

**前言**

前段时间在训练模型的时候，发现当训练集的数量过大，并且输入的图片维度过大时，很容易就超内存了，举个简单例子，如果我们有20000个样本，输入图片的维度是224x224x3，用float32存储，那么如果我们一次性将全部数据载入内存的话，总共就需要20000x224x224x3x32bit/8=11.2GB 这么大的内存，所以如果一次性要加载全部数据集的话是需要很大内存的。

如果我们直接用keras的fit函数来训练模型的话，是需要传入全部训练数据，但是好在提供了fit\_generator，可以分批次的读取数据，节省了我们的内存，我们唯一要做的就是实现一个生成器（generator）。

**1.fit\_generator函数简介**

fit_generator(generator,
    
    steps_per_epoch=None,
    
    epochs=1,
    
    verbose=1,
    
    callbacks=None,
    
    validation_data=None,
    
    validation_steps=None,
    
    class_weight=None,
    
    max_queue_size=10,
    
    workers=1,
    
    use_multiprocessing=False,
    
    shuffle=True,
    
    initial_epoch=0)

**参数：**

generator：一个生成器，或者一个 Sequence (keras.utils.Sequence) 对象的实例。这是我们实现的重点，后面会着介绍生成器和sequence的两种实现方式。

steps\_per\_epoch：这个是我们在每个epoch中需要执行多少次生成器来生产数据，fit\_generator函数没有batch\_size这个参数，是通过steps\_per\_epoch来实现的，每次生产的数据就是一个batch，因此steps\_per\_epoch的值我们通过会设为（样本数/batch\_size）。如果我们的generator是sequence类型，那么这个参数是可选的，默认使用len(generator) 。

epochs：即我们训练的迭代次数。

verbose：0, 1 或 2。日志显示模式。 0 = 安静模式, 1 = 进度条, 2 = 每轮一行

callbacks：在训练时调用的一系列回调函数。

validation\_data：和我们的generator类似，只是这个使用于验证的，不参与训练。

validation\_steps：和前面的steps\_per\_epoch类似。

class\_weight：可选的将类索引（整数）映射到权重（浮点）值的字典，用于加权损失函数（仅在训练期间）。 这可以用来告诉模型「更多地关注」来自代表性不足的类的样本。（感觉这个参数用的比较少）

max\_queue\_size：整数。生成器队列的最大尺寸。默认为10.

workers：整数。使用的最大进程数量，如果使用基于进程的多线程。 如未指定，workers 将默认为 1。如果为 0，将在主线程上执行生成器。

use\_multiprocessing：布尔值。如果 True，则使用基于进程的多线程。默认为False。

shuffle：是否在每轮迭代之前打乱 batch 的顺序。 只能与Sequence(keras.utils.Sequence) 实例同用。

initial\_epoch: 开始训练的轮次（有助于恢复之前的训练）

**2.generator实现**

**2.1生成器的实现方式**

样例代码：

from keras.models import Sequential
    from keras.layers import Dense
    import numpy as np
    from PIL import Image
    
    
    def process_x(path):
        img = Image.open(path)
        img = img.resize((96, 96))
        img = img.convert('RGB')
        img = np.array(img)
    
        img = np.asarray(img, np.float32) / 255.0
        # 也可以进行进行一些数据数据增强的处理
        return img
    
    
    def generate_arrays_from_file(x_y):
        # x_y 是我们的训练集包括标签，每一行的第一个是我们的图片路径，后面的是图片标签
    
        global count
        batch_size = 8
        while 1:
            batch_x = x_y[(count - 1) * batch_size:count * batch_size, 0]
            batch_y = x_y[(count - 1) * batch_size:count * batch_size, 1:]
    
            batch_x = np.array([process_x(img_path) for img_path in batch_x])
            batch_y = np.array(batch_y).astype(np.float32)
            print("count:" + str(count))
            count = count + 1
            yield batch_x, batch_y
    
    
    model = Sequential()
    model.add(Dense(units=1000, activation='relu', input_dim=2))
    model.add(Dense(units=2, activation='softmax'))
    model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])
    count = 1
    x_y = []
    model.fit_generator(generate_arrays_from_file(x_y), steps_per_epoch=10, epochs=2, max_queue_size=1, workers=1)

在理解上面代码之前我们需要首先了解yield的用法。

yield关键字：

我们先通过一个例子看一下yield的用法：

def foo():
        print("starting...")
        while True:
            res = yield 4
            print("res:", res)
    
    
    g = foo()
    print(next(g))
    print("----------")
    print(next(g))

运行结果：

starting...
    4
    ----------
    res: None
    4

带yield的函数是一个生成器，而不是一个函数。因为foo函数中有yield关键字，所以foo函数并不会真的执行，而是先得到一个生成器的实例，当我们第一次调用next函数的时候，foo函数才开始行，首先先执行foo函数中的print方法，然后进入while循环，循环执行到yield时，yield其实相当于return，函数返回4，程序停止。所以我们第一次调用next(g)的输出结果是前面两行。

然后当我们再次调用next(g)时，这个时候是从上一次停止的地方继续执行，也就是要执行res的赋值操作，因为4已经在上一次执行被return了，随意赋值res为None，然后执行print(“res:”,res)打印res: None，再次循环到yield返回4，程序停止。

所以yield关键字的作用就是我们能够从上一次程序停止的地方继续执行，这样我们用作生成器的时候，就避免一次性读入数据造成内存不足的情况。

现在看到上面的示例代码：

generate\_arrays\_from\_file函数就是我们的生成器，每次循环读取一个batch大小的数据，然后处理数据，并返回。x\_y是我们的把路径和标签合并后的训练集，类似于如下形式：

> \['data/img\_4092.jpg' '0' '1' '0' '0' '0' \]

至于格式不一定要这样，可以是自己的格式，至于怎么处理，根于自己的格式，在process\_x进行处理，这里因为是存放的图片路径，所以在process\_x函数的主要作用就是读取图片并进行归一化等操作，也可以在这里定义自己需要进行的操作，例如对图像进行实时数据增强。

**2.2使用Sequence实现generator**

示例代码：

class BaseSequence(Sequence):
        """
     基础的数据流生成器，每次迭代返回一个batch
     BaseSequence可直接用于fit_generator的generator参数
     fit_generator会将BaseSequence再次封装为一个多进程的数据流生成器
     而且能保证在多进程下的一个epoch中不会重复取相同的样本
     """
    
        def __init__(self, img_paths, labels, batch_size, img_size):
            # np.hstack在水平方向上平铺
            self.x_y = np.hstack((np.array(img_paths).reshape(len(img_paths), 1), np.array(labels)))
            self.batch_size = batch_size
            self.img_size = img_size
    
        def __len__(self):
            # math.ceil表示向上取整
            # 调用len(BaseSequence)时返回，返回的是每个epoch我们需要读取数据的次数
            return math.ceil(len(self.x_y) / self.batch_size)
    
        def preprocess_img(self, img_path):
            img = Image.open(img_path)
            resize_scale = self.img_size[0] / max(img.size[:2])
            img = img.resize((self.img_size[0], self.img_size[0]))
            img = img.convert('RGB')
            img = np.array(img)
    
            # 数据归一化
            img = np.asarray(img, np.float32) / 255.0
            return img
    
        def __getitem__(self, idx):
            batch_x = self.x_y[idx * self.batch_size: (idx + 1) * self.batch_size, 0]
            batch_y = self.x_y[idx * self.batch_size: (idx + 1) * self.batch_size, 1:]
            batch_x = np.array([self.preprocess_img(img_path) for img_path in batch_x])
            batch_y = np.array(batch_y).astype(np.float32)
            print(batch_x.shape)
            return batch_x, batch_y
    
        # 重写的父类Sequence中的on_epoch_end方法，在每次迭代完后调用。
        def on_epoch_end(self):
            # 每次迭代后重新打乱训练集数据
            np.random.shuffle(self.x_y)

在上面代码中，\_\_len \_\_和\_\_getitem \_\_，是我们重写的魔法方法，\_\_len \_\_是当我们调用len(BaseSequence)函数时调用，这里我们返回（样本总量/batch\_size），供我们传入fit\_generator中的steps\_per\_epoch参数；\_\_getitem \_\_可以让对象实现迭代功能，这样在将BaseSequence的对象传入fit\_generator中后，不断执行generator就可循环的读取数据了。

举个例子说明一下getitem的作用：

class Animal:
        def __init__(self, animal_list):
            self.animals_name = animal_list
    
        def __getitem__(self, index):
            return self.animals_name[index]
    
    
    animals = Animal(["dog", "cat", "fish"])
    for animal in animals:
        print(animal)

输出结果：

dog
    cat
    fish

并且使用Sequence类可以保证在多进程的情况下，每个epoch中的样本只会被训练一次。

**参考[yield方法][yield]：**

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[yield]: https://blog.csdn.net/qingfengxd1/article/details/111032043
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FpbmdmZW5neGQx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/b7ddc44e1eb948e0887621f39686250f.png