基于matplotlib和keras的神经网络结果可视化

统计学家

发布于 2019-06-28 14:22:04

4420

发布于 2019-06-28 14:22:04

前言

在使用神经网络进行模型训练的时候，我们可以通过误差损失函数、精度等一系列指标来判断最终神经网络的拟合效果，一般的问题中，无论是回归还是拟合，本质上都是“一个拟合过程”，我们一定特别希望知道，网络每训练一次，这个你和到底到达了一个什么程度，距离我的真实数据差别还有多少，本文通过一个简单的例子来实现这样的功能，动态展示网络拟合的程度。

一、最终效果图展示

二、实验案例

2.1 开发环境以及要求

2.2 训练数据的产生

2.3 网络的结构

三、网络的搭建与模型训练

3.1 网络的定义以及实现

3.2 训练模型保存

3.3 模型的搭建和保存代码

四、完整代码以及最终效果展示

一、最终效果图展示

二、实验案例

2.1 开发环境以及要求

本文神经网络的搭建使用的是keras开发框架，绘制动态图使用的是matplotlib绘图库。

2.2 训练数据的产生

由于本文所搭建的网络很小，只是为了展示如何动态展示训练过程，所以以一个标准正弦函数作为拟合基础，在一个正弦波函数上选择了20组数据作为训练，本文只展示，所以什么验证、测试等工作均没有进行。

----------------------------------------------

已知下面采样自Sin函数的数据：

x y

1 0.093 -0.81

2 0.58 -0.45

3 1.04 -0.007

4 1.55 0.48

5 2.15 0.89

6 2.62 0.997

7 2.71 0.995

8 2.73 0.993

9 3.03 0.916

10 3.14 0.86

11 3.58 0.57

12 3.66 0.504

13 3.81 0.369

14 3.83 0.35

15 4.39 -0.199

16 4.44 -0.248

17 4.6 -0.399

18 5.39 -0.932

19 5.54 -0.975

20 5.76 -0.999

----------------------------------------------

2.3 网络的结构

从上面的样本数据可以得知，本文的网络中，输入的特征就是一个x,输出值是一个y,所以本次网络的输入节点为1、输出节点也是1、中间的隐藏层神经元为10，当然这个隐藏层神经元这里是可以随便设置的，最终的网络结构如下：

本文最终要做的事就是，通过一个简单的三层神经网络训练一个Sin函数的拟合器，并可视化模型训练过程的拟合曲线。

三、网络的搭建与模型训练

3.1 网络的定义以及实现

import math;
import random;
from matplotlib import pyplot as plt
from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense
from keras.optimizers import Adam
import numpy as np
from keras.callbacks import ModelCheckpoint
import os


#采样函数
def sample(low, up, num):
    data = [];
    for i in range(num):
        #采样
        tmp = random.uniform(low, up);
        data.append(tmp);
    data.sort();
    return data;

#sin函数
def func(x):
    y = [];
    for i in range(len(x)):
        tmp = math.sin(x[i] - math.pi/3);
        y.append(tmp);
    return y;

#获取模型拟合结果
def getfit(model,x):    
    y = [];
    for i in range(len(x)):
        tmp = model.predict([x[i]], 10);
        y.append(tmp[0][0]);
    return y;

#删除同一目录下的所有文件
def del_file(path):
    ls = os.listdir(path)
    for i in ls:
        c_path = os.path.join(path, i)
        if os.path.isdir(c_path):
            del_file(c_path)
        else:
            os.remove(c_path)

if __name__ == '__main__':    
    path = "E:/Model/";
    del_file(path);

    low = 0;
    up = 2 * math.pi;
    x = np.linspace(low, up, 1000);
    y = func(x);

    # 数据采样
#     x_sample = sample(low,up,20);
    x_sample = [0.09326442022999694, 0.5812590520508311, 1.040490143783586, 1.5504427746047338, 2.1589557183817036, 2.6235357787018407, 2.712578091093361, 2.7379109336528167, 3.0339662651841186, 3.147676812083248, 3.58596337171837, 3.6621496731124314, 3.81130899864203, 3.833092859928872, 4.396611340802901, 4.4481080339256875, 4.609657879057151, 5.399731063412583, 5.54299720786794, 5.764084730699906];
    y_sample = func(x_sample);

    # callback
    filepath="E:/Model/weights-improvement-{epoch:00d}.hdf5";
    checkpoint= ModelCheckpoint(filepath, verbose=1, save_best_only=False, mode='max');
    callbacks_list= [checkpoint];

    # 建立顺序神经网络层次模型
    model = Sequential();  
    model.add(Dense(10, input_dim=1, init='uniform', activation='relu'));
    model.add(Dense(1, init='uniform', activation='tanh'));
    adam = Adam(lr = 0.05);
    model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer=adam, metrics=['accuracy']);
    model.fit(x_sample, y_sample, nb_epoch=1000, batch_size=20,callbacks=callbacks_list);

    #测试数据
    x_new = np.linspace(low, up, 1000);
    y_new = getfit(model,x_new);

    # 数据可视化
    plt.plot(x,y); 
    plt.scatter(x_sample, y_sample);
    plt.plot(x_new,y_new);

    plt.show();

3.2 训练模型保存

在神经网络训练的过程中，有一个非常重要的操作，就是将训练过程中模型的参数保存到本地，这是后面拟合过程可视化的基础。训练过程中保存的模型文件，如下图所示。

模型保存的关键在于fit函数中callback函数的设置，注意到，下面的代码，每次迭代，算法都会执行callbacks函数指定的函数列表中的方法。这里，我们的回调函数设置为ModelCheckpoint，其参数如下表所示：

参数的含义

（1）filename：字符串，保存模型的路径

（2）verbose： 0或1

（3）mode： ‘auto’，‘min’，‘max’

（4）monitor：需要监视的值

（5）save_best_only：当设置为True时，监测值有改进时才会保存当前的模型。在save_best_only=True时决定性能最佳模型的评判准则，例如，当监测值为val_acc时，模式应为max，当监测值为val_loss时，模式应为min。在auto模式下，评价准则由被监测值的名字自动推断

（6）save_weights_only：若设置为True，则只保存模型权重，否则将保存整个模型（包括模型结构，配置信息等）

（7）period CheckPoint之间的间隔的epoch数

3.3 模型的搭建和保存代码

    # callback
    filepath="E:/Model/weights-improvement-{epoch:00d}.hdf5";
    checkpoint= ModelCheckpoint(filepath, verbose=1, save_best_only=False, mode='max');
    callbacks_list= [checkpoint];

    # 建立顺序神经网络层次模型
    model = Sequential();  
    model.add(Dense(10, input_dim=1, init='uniform', activation='relu'));
    model.add(Dense(1, init='uniform', activation='tanh'));
    adam = Adam(lr = 0.05);
    model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer=adam, metrics=['accuracy']);
    model.fit(x_sample, y_sample, nb_epoch=1000, batch_size=20,callbacks=callbacks_list);

四、完整代码以及最终效果展示

import math;
import random;
from matplotlib import pyplot as plt
from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense
import numpy as np
import matplotlib.animation as animation
from PIL import Image

#定义kdd99数据预处理函数
def sample(low, up, num):
    data = [];
    for i in range(num):
        #采样
        tmp = random.uniform(low, up);
        data.append(tmp);
    data.sort();
    return data;

def func(x):
    y = [];
    for i in range(len(x)):
        tmp = math.sin(x[i] - math.pi/3);
        y.append(tmp);
    return y;

def getfit(model,x):    
    y = [];
    for i in range(len(x)):
        tmp = model.predict([x[i]], 10);
        y.append(tmp[0][0]);
    return y;

def init():
    fpath = "E:/imgs/0.jpg";
    img = Image.open(fpath);
    plt.axis('off') # 关掉坐标轴为 off
    return plt.imshow(img);

def update(i): 
    fpath = "E:/imgs/" + str(i) + ".jpg";
    img = Image.open(fpath);
    plt.axis('off') # 关掉坐标轴为 off
    return plt.imshow(img);

if __name__ == '__main__':    
    low = 0;
    up = 2 * math.pi;
    x = np.linspace(low, up, 1000);
    y = func(x);

    # 数据采样
#     x_sample = sample(low,up,20);
    x_sample = [0.09326442022999694, 0.5812590520508311, 1.040490143783586, 1.5504427746047338, 2.1589557183817036, 2.6235357787018407, 2.712578091093361, 2.7379109336528167, 3.0339662651841186, 3.147676812083248, 3.58596337171837, 3.6621496731124314, 3.81130899864203, 3.833092859928872, 4.396611340802901, 4.4481080339256875, 4.609657879057151, 5.399731063412583, 5.54299720786794, 5.764084730699906];
    y_sample = func(x_sample);

    # 建立顺序神经网络层次模型
    model = Sequential();  
    model.add(Dense(10, input_dim=1, init='uniform', activation='relu'));
    model.add(Dense(1, init='uniform', activation='tanh'));

    plt.ion(); #开启interactive mode 成功的关键函数
    fig = plt.figure(1);

    for i in range(100):
        filepath="E:/Model/weights-improvement-" + str(i + 1) + ".hdf5";
        model.load_weights(filepath);
        #测试数据
        x_new = np.linspace(low, up, 1000);
        y_new = getfit(model,x_new);
        # 显示数据
        plt.clf();
        plt.plot(x,y); 
        plt.scatter(x_sample, y_sample);
        plt.plot(x_new,y_new);

        ffpath = "E:/imgs/" + str(i) + ".jpg";
        plt.savefig(ffpath);

        plt.pause(0.01)             # 暂停0.01秒

    ani = animation.FuncAnimation(plt.figure(2), update,range(100),init_func=init, interval=500);
    ani.save("E:/test.gif",writer='pillow');

    plt.ioff()                 # 关闭交互模式

最终的结果展示为如下：

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原始发表：2019-06-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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