TensorFlow2.0（6）：利用data模块进行数据预处理

统计学家

发布于 2019-12-23 14:30:38

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发布于 2019-12-23 14:30:38

文章被收录于专栏：机器学习与统计学

TensorFlow2.0（1）：基本数据结构——张量

TensorFlow2.0（2）：数学运算

TensorFlow2.0（3）：张量排序、最大最小值

TensorFlow2.0（4）：填充与复制

TensorFlow2.0（5）：张量限幅

在整个机器学习过程中，除了训练模型外，应该就属数据预处理过程消耗的精力最多，数据预处理过程需要完成的任务包括数据读取、过滤、转换等等。为了将用户从繁杂的预处理操作中解放处理，更多地将精力放在算法建模上，TensorFlow中提供了data模块，这一模块以多种方式提供了数据读取、数据处理、数据保存等功能。本文重点是data模块中的Dataset对象。

1 创建

对于创建Dataset对象，官方文档中总结为两种方式，我将这两种方式细化后总结为4中方式：

（1）通过Dataset中的range()方法创建包含一定序列的Dataset对象。

range()

range()方法是Dataset内部定义的一个的静态方法，可以直接通过类名调用。另外，Dataset中的range()方法与Python本身内置的range()方法接受参数形式是一致的，可以接受range(begin)、range(begin, end)、range（begin, end, step）等多种方式传参。

import tensorflow as tf
import numpy as np

dataset1 = tf.data.Dataset.range(5)
type(dataset1)

tensorflow.python.data.ops.dataset_ops.RangeDataset

注：RangeDataset是Dataset的一个子类。Dataset对象属于可迭代对象，可通过循环进行遍历：

for i in dataset1:
    print(i)
    print(i.numpy())

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
0
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
1
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
2
tf.Tensor(3, shape=(), dtype=int64)
3
tf.Tensor(4, shape=(), dtype=int64)
4

可以看到，range()方法创建的Dataset对象内部每一个元素都以Tensor对象的形式存在，可以通过numpy()方法访问真实值。

from_generator()

如果你觉得range()方法不够灵活，功能不够强大，那么你可以尝试使用from_generator()方法。from_generator()方法接收一个可调用的生成器函数最为参数，在遍历from_generator()方法返回的Dataset对象过程中不断生成新的数据，减少内存占用，这在大数据集中很有用。

def count(stop):
  i = 0
  while i<stop:
    print('第%s次调用……'%i)
    yield i
    i += 1

dataset2 = tf.data.Dataset.from_generator(count, args=[3], output_types=tf.int32, output_shapes = (), )

a = iter(dataset2)

next(a)

第0次调用……
<tf.Tensor: id=46, shape=(), dtype=int32, numpy=0>

next(a)

第1次调用……

<tf.Tensor: id=47, shape=(), dtype=int32, numpy=1>

for i in dataset2:
    print(i)
    print(i.numpy())

第0次调用……
tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
0
第1次调用……
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int32)
1
第2次调用……
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int32)
2

**（2）通过接收其他类型的集合类对象创建Dataset对象。**这里所说的集合类型对象包含Python内置的list、tuple，numpy中的ndarray等等。这种创建Dataset对象的方法大多通过from_tensors()和from_tensor_slices()两个方法实现。这两个方法很常用，重点说一说。

from_tensors() from_tensors()方法接受一个集合类型对象作为参数，返回值为一个TensorDataset类型对象，对象内容、shape因传入参数类型而异。

当接收参数为list或Tensor对象时，返回的情况是一样的，因为TensorFlow内部会将list先转为Tensor对象，然后实例化一个Dataset对象：

a = [0,1,2,3,4]
dataset1 = tf.data.Dataset.from_tensors(a)
dataset1_n = tf.data.Dataset.from_tensors(np.array(a))
dataset1_t = tf.data.Dataset.from_tensors(tf.constant(a))

dataset1,next(iter(dataset1))

(<TensorDataset shapes: (5,), types: tf.int32>,
 <tf.Tensor: id=67, shape=(5,), dtype=int32, numpy=array([0, 1, 2, 3, 4], dtype=int32)>)

dataset1_n,next(iter(dataset1_n))

(<TensorDataset shapes: (5,), types: tf.int64>,
 <tf.Tensor: id=73, shape=(5,), dtype=int64, numpy=array([0, 1, 2, 3, 4])>)

dataset1_t,next(iter(dataset1_t))

(<TensorDataset shapes: (5,), types: tf.int32>,
 <tf.Tensor: id=79, shape=(5,), dtype=int32, numpy=array([0, 1, 2, 3, 4], dtype=int32)>)

多维结构也是一样的：

a = [0,1,2,3,4]
b = [5,6,7,8,9]
dataset2 = tf.data.Dataset.from_tensors([a,b])
dataset2_n = tf.data.Dataset.from_tensors(np.array([a,b]))
dataset2_t = tf.data.Dataset.from_tensors(tf.constant([a,b]))

dataset2,next(iter(dataset2))

(<TensorDataset shapes: (2, 5), types: tf.int32>,
 <tf.Tensor: id=91, shape=(2, 5), dtype=int32, numpy=
 array([[0, 1, 2, 3, 4],
        [5, 6, 7, 8, 9]], dtype=int32)>)

dataset2_n,next(iter(dataset2_n))

(<TensorDataset shapes: (2, 5), types: tf.int64>,
 <tf.Tensor: id=97, shape=(2, 5), dtype=int64, numpy=
 array([[0, 1, 2, 3, 4],
        [5, 6, 7, 8, 9]])>)

dataset2_t,next(iter(dataset2_t))

(<TensorDataset shapes: (2, 5), types: tf.int32>,
 <tf.Tensor: id=103, shape=(2, 5), dtype=int32, numpy=
 array([[0, 1, 2, 3, 4],
        [5, 6, 7, 8, 9]], dtype=int32)>)

当接收参数为数组就不一样了，此时Dataset内部内容为一个tuple，tuple的元素是原来tuple元素转换为的Tensor对象：

a = [0,1,2,3,4]
b = [5,6,7,8,9]
dataset3 = tf.data.Dataset.from_tensors((a,b))

for i in dataset3:
    print(type(i))
    print(i)
    for j in i:
        print(j)

<class 'tuple'>
(<tf.Tensor: id=112, shape=(5,), dtype=int32, numpy=array([0, 1, 2, 3, 4], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=113, shape=(5,), dtype=int32, numpy=array([5, 6, 7, 8, 9], dtype=int32)>)
tf.Tensor([0 1 2 3 4], shape=(5,), dtype=int32)
tf.Tensor([5 6 7 8 9], shape=(5,), dtype=int32)

from_tensor_slices() from_tensor_slices()方法返回一个TensorSliceDataset类对象，TensorSliceDataset对象比from_tensors()方法返回的TensorDataset对象支持更加丰富的操作，例如batch操作等，因此在实际应用中更加广泛。返回的TensorSliceDataset对象内容、shape因传入参数类型而异。

当传入一个list时，时将list中元素逐个转换为Tensor对象然后依次放入Dataset中，所以Dataset中有多个Tensor对象：

a = [0,1,2,3,4]
dataset1 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(a)

dataset1

<TensorSliceDataset shapes: (), types: tf.int32>

for i,elem in enumerate(dataset1):
    print(i, '-->', elem)

0 --> tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
1 --> tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int32)
2 --> tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int32)
3 --> tf.Tensor(3, shape=(), dtype=int32)
4 --> tf.Tensor(4, shape=(), dtype=int32)

a = [0,1,2,3,4]
b = [5,6,7,8,9]
dataset2 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices([a,b])

dataset2

<TensorSliceDataset shapes: (5,), types: tf.int32>

for i,elem in enumerate(dataset2):
    print(i, '-->', elem)

0 --> tf.Tensor([0 1 2 3 4], shape=(5,), dtype=int32)
1 --> tf.Tensor([5 6 7 8 9], shape=(5,), dtype=int32)

当传入参数为tuple时，会将tuple中各元素转换为Tensor对象，然后将第一维度对应位置的切片进行重新组合成一个tuple依次放入到Dataset中，所以在返回的Dataset中有多个tuple。这种形式在对训练集和测试集进行重新组合是非常实用。

a = [0,1,2,3,4]
b = [5,6,7,8,9]
dataset1 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((a,b))

dataset1

<TensorSliceDataset shapes: ((), ()), types: (tf.int32, tf.int32)>

for i in dataset1:
    print(i)

(<tf.Tensor: id=143, shape=(), dtype=int32, numpy=0>, <tf.Tensor: id=144, shape=(), dtype=int32, numpy=5>)
(<tf.Tensor: id=145, shape=(), dtype=int32, numpy=1>, <tf.Tensor: id=146, shape=(), dtype=int32, numpy=6>)
(<tf.Tensor: id=147, shape=(), dtype=int32, numpy=2>, <tf.Tensor: id=148, shape=(), dtype=int32, numpy=7>)
(<tf.Tensor: id=149, shape=(), dtype=int32, numpy=3>, <tf.Tensor: id=150, shape=(), dtype=int32, numpy=8>)
(<tf.Tensor: id=151, shape=(), dtype=int32, numpy=4>, <tf.Tensor: id=152, shape=(), dtype=int32, numpy=9>)

c = ['a','b','c','d','e']
dataset3 = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((a,b,c))

dataset3

<TensorSliceDataset shapes: ((), (), ()), types: (tf.int32, tf.int32, tf.string)>

for i in dataset3:
    print(i)

(<tf.Tensor: id=162, shape=(), dtype=int32, numpy=0>, <tf.Tensor: id=163, shape=(), dtype=int32, numpy=5>, <tf.Tensor: id=164, shape=(), dtype=string, numpy=b'a'>)
(<tf.Tensor: id=165, shape=(), dtype=int32, numpy=1>, <tf.Tensor: id=166, shape=(), dtype=int32, numpy=6>, <tf.Tensor: id=167, shape=(), dtype=string, numpy=b'b'>)
(<tf.Tensor: id=168, shape=(), dtype=int32, numpy=2>, <tf.Tensor: id=169, shape=(), dtype=int32, numpy=7>, <tf.Tensor: id=170, shape=(), dtype=string, numpy=b'c'>)
(<tf.Tensor: id=171, shape=(), dtype=int32, numpy=3>, <tf.Tensor: id=172, shape=(), dtype=int32, numpy=8>, <tf.Tensor: id=173, shape=(), dtype=string, numpy=b'd'>)
(<tf.Tensor: id=174, shape=(), dtype=int32, numpy=4>, <tf.Tensor: id=175, shape=(), dtype=int32, numpy=9>, <tf.Tensor: id=176, shape=(), dtype=string, numpy=b'e'>)

对比总结一下from_generator(）、from_tensor()、from_tensor_slices()这三个方法：

from_tensors()在形式上与from_tensor_slices()很相似，但其实from_tensors()方法出场频率上比from_tensor_slices()差太多，因为from_tensor_slices()的功能更加符合实际需求，且返回的TensorSliceDataset对象也提供更多的数据处理功能。from_tensors()方法在接受list类型参数时，将整个list转换为Tensor对象放入Dataset中，当接受参数为tuple时，将tuple内元素转换为Tensor对象，然后将这个tuple放入Dataset中。
from_generator(）方法接受一个可调用的生成器函数作为参数，在遍历Dataset对象时，通过通用生成器函数继续生成新的数据供训练和测试模型使用，这在大数据集合中很实用。
from_tensor_slices()方法接受参数为list时，将list各元素依次转换为Tensor对象，然后依次放入Dataset中；更为常见的情况是接受的参数为tuple，在这种情况下，要求tuple中各元素第一维度长度必须相等，from_tensor_slices()方法会将tuple各元素第一维度进行拆解，然后将对应位置的元素进行重组成一个个tuple依次放入Dataset中，这一功能在重新组合数据集属性和标签时很有用。另外，from_tensor_slices()方法返回的TensorSliceDataset对象支持batch、shuffle等等功能对数据进一步处理。

**（3）通过读取磁盘中的文件（文本、图片等等）来创建Dataset。**tf.data中提供了TextLineDataset、TFRecordDataset等对象来实现此功能。这部分内容比较多，也比较重要，我打算后续用专门一篇博客来总结这部分内容。

2 功能函数

（1）take()

功能：用于返回一个新的Dataset对象，新的Dataset对象包含的数据是原Dataset对象的子集。

参数：

count：整型，用于指定前count条数据用于创建新的Dataset对象，如果count为-1或大于原Dataset对象的size,则用原Dataset对象的全部数据创建新的对象。

dataset = tf.data.Dataset.range(10)
dataset_take = dataset.take(5)

for i in dataset_take:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(3, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(4, shape=(), dtype=int64)

（2）batch()

功能：将Dataset中连续的数据分割成批。

参数：

batch_size：在单个批次中合并的此数据集的连续元素数。
drop_remainder：如果最后一批的数据量少于指定的batch_size，是否抛弃最后一批，默认为False，表示不抛弃。

dataset = tf.data.Dataset.range(11)
dataset_batch = dataset.batch(3)

for i in dataset_batch:
    print(i)

tf.Tensor([0 1 2], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([3 4 5], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([6 7 8], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([ 9 10], shape=(2,), dtype=int64)

dataset_batch = dataset.batch(3,drop_remainder=True)

for i in dataset_batch:
    print(i)

tf.Tensor([0 1 2], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([3 4 5], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([6 7 8], shape=(3,), dtype=int64)

train_x = tf.random.uniform((10,3),maxval=100, dtype=tf.int32)
train_y = tf.range(10)

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((train_x, train_y))

for i in dataset.take(3):
    print(i)

(<tf.Tensor: id=236, shape=(3,), dtype=int32, numpy=array([81, 53, 85], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=237, shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=238, shape=(3,), dtype=int32, numpy=array([13,  7, 25], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=239, shape=(), dtype=int32, numpy=1>)
(<tf.Tensor: id=240, shape=(3,), dtype=int32, numpy=array([83, 25, 55], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=241, shape=(), dtype=int32, numpy=2>)

dataset_batch = dataset.batch(4)

for i in dataset_batch:
    print(i)

(<tf.Tensor: id=250, shape=(4, 3), dtype=int32, numpy=
array([[81, 53, 85],
       [13,  7, 25],
       [83, 25, 55],
       [53, 41, 11]], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=251, shape=(4,), dtype=int32, numpy=array([0, 1, 2, 3], dtype=int32)>)
(<tf.Tensor: id=252, shape=(4, 3), dtype=int32, numpy=
array([[41, 58, 39],
       [44, 68, 55],
       [52, 34, 22],
       [66, 39,  5]], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=253, shape=(4,), dtype=int32, numpy=array([4, 5, 6, 7], dtype=int32)>)
(<tf.Tensor: id=254, shape=(2, 3), dtype=int32, numpy=
array([[73,  8, 20],
       [67, 71, 98]], dtype=int32)>, <tf.Tensor: id=255, shape=(2,), dtype=int32, numpy=array([8, 9], dtype=int32)>)

为什么在训练模型时要将Dataset分割成一个个batch呢？

对于小数据集是否使用batch关系不大，但是对于大数据集如果不分割成batch意味着将这个数据集一次性输入模型中，容易造成内存爆炸。
通过并行化提高内存的利用率。就是尽量让你的GPU满载运行，提高训练速度。
单个epoch的迭代次数减少了，参数的调整也慢了，假如要达到相同的识别精度，需要更多的epoch。
适当Batch Size使得梯度下降方向更加准确。

（3）padded_batch()

功能：batch()的进阶版，可以对shape不一致的连续元素进行分批。

参数：

batch_size：在单个批次中合并的此数据集的连续元素个数。
padded_shapes：tf.TensorShape或其他描述tf.int64矢量张量对象，表示在批处理之前每个输入元素的各个组件应填充到的形状。如果参数中有None，则表示将填充为每个批次中该尺寸的最大尺寸。
padding_values：要用于各个组件的填充值。默认值0用于数字类型，字符串类型则默认为空字符。
drop_remainder：如果最后一批的数据量少于指定的batch_size，是否抛弃最后一批，默认为False，表示不抛弃。

dataset = tf.data.Dataset.range(10)

dataset = dataset.map(lambda x: tf.fill([tf.cast(x, tf.int32)], x))

dataset_padded = dataset.padded_batch(4, padded_shapes=(None,))

for batch in dataset_padded:
    print(batch.numpy())
    print('---------------------')

[[0 0 0]
 [1 0 0]
 [2 2 0]
 [3 3 3]]
---------------------
[[4 4 4 4 0 0 0]
 [5 5 5 5 5 0 0]
 [6 6 6 6 6 6 0]
 [7 7 7 7 7 7 7]]
---------------------
[[8 8 8 8 8 8 8 8 0]
 [9 9 9 9 9 9 9 9 9]]
---------------------

dataset_padded = dataset.padded_batch(4, padded_shapes=(10,),padding_values=tf.constant(9,dtype=tf.int64))  # 修改填充形状和填充元素

for batch in dataset_padded:
    print(batch.numpy())
    print('---------------------')

[[9 9 9 9 9 9 9 9 9 9]
 [1 9 9 9 9 9 9 9 9 9]
 [2 2 9 9 9 9 9 9 9 9]
 [3 3 3 9 9 9 9 9 9 9]]
---------------------
[[4 4 4 4 9 9 9 9 9 9]
 [5 5 5 5 5 9 9 9 9 9]
 [6 6 6 6 6 6 9 9 9 9]
 [7 7 7 7 7 7 7 9 9 9]]
---------------------
[[8 8 8 8 8 8 8 8 9 9]
 [9 9 9 9 9 9 9 9 9 9]]
---------------------

（4）map()

功能：以dataset中每一位元素为参数执行pap_func()方法，这一功能在数据预处理中修改dataset中元素是很实用。

参数：

map_func:回调方法。

def change_dtype(t):  # 将类型修改为int32
    return tf.cast(t,dtype=tf.int32)

dataset = tf.data.Dataset.range(3)

for i in dataset:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)

dataset_map = dataset.map(change_dtype)

for i in dataset_map:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int32)

map_func的参数必须对应dataset中的元素类型，例如，如果dataset中元素是tuple，map_func可以这么定义：

def change_dtype_2(t1,t2):
    return t1/10,tf.cast(t2,dtype=tf.int32)*(-1)  # 第一位元素除以10，第二为元素乘以-1

dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((tf.range(3),tf.range(3)))

dataset_map = dataset.map(change_dtype_2)

for i in dataset_map:
    print(i)

(<tf.Tensor: id=347, shape=(), dtype=float64, numpy=0.0>, <tf.Tensor: id=348, shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
(<tf.Tensor: id=349, shape=(), dtype=float64, numpy=0.1>, <tf.Tensor: id=350, shape=(), dtype=int32, numpy=-1>)
(<tf.Tensor: id=351, shape=(), dtype=float64, numpy=0.2>, <tf.Tensor: id=352, shape=(), dtype=int32, numpy=-2>)

（5）filter()

功能：对Dataset中每一个执行指定过滤方法进行过滤，返回过滤后的Dataset对象

参数：

predicate：过滤方法，返回值必须为True或False

dataset = tf.data.Dataset.range(5)

def filter_func(t):  # 过滤出值为偶数的元素
    if t % 2 == 0:
        return True
    else:
        return False

dataset_filter = dataset.filter(filter_func)

for i in dataset_filter:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(4, shape=(), dtype=int64)

（6）shuffle()

功能：随机打乱数据

参数：

buffer_size：缓冲区大小，姑且认为是混乱程度吧，当值为1时，完全不打乱，当值为整个Dataset元素总数时，完全打乱。
seed：将用于创建分布的随机种子。
reshuffle_each_iteration：如果为true，则表示每次迭代数据集时都应进行伪随机重排，默认为True。

dataset = tf.data.Dataset.range(5)

dataset_s = dataset.shuffle(1)

for i in dataset_s:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(3, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(4, shape=(), dtype=int64)

dataset_s = dataset.shuffle(5)

for i in dataset_s:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(4, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(3, shape=(), dtype=int64)

（7）repeat()

功能：对Dataset中的数据进行重复，以创建新的Dataset

参数：

count：重复次数，默认为None，表示不重复，当值为-1时，表示无限重复。

dataset = tf.data.Dataset.range(3)

dataset_repeat = dataset.repeat(3)

for i in dataset_repeat:
    print(i)

tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(0, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int64)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int64

作者博客园：

https://www.cnblogs.com/chenhuabin

作者github：

https://github.com/ChenHuabin321/tensorflow2_tutorials

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原始发表：2019-12-17，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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