KerasTuner:超參數調整 / KerasTuner 入門

KerasTuner 入門

作者: Luca Invernizzi、James Long、Francois Chollet、Tom O'Malley、Haifeng Jin
建立日期 2019/05/31
上次修改日期 2021/10/27
描述: 使用 KerasTuner 調整模型超參數的基本知識。

在 Colab 中檢視 GitHub 原始碼

!pip install keras-tuner -q

簡介

KerasTuner 是一個通用的超參數調整庫。它與 Keras 工作流程有很強的整合性,但不侷限於此:您可以使用它來調整 scikit-learn 模型,或任何其他東西。在本教學中,您將了解如何使用 KerasTuner 調整模型架構、訓練過程和資料預處理步驟。讓我們從一個簡單的範例開始。


調整模型架構

我們需要做的第一件事是編寫一個函式,該函式會回傳一個已編譯的 Keras 模型。它接受一個 hp 引數,用於在建立模型時定義超參數。

定義搜尋空間

在以下程式碼範例中,我們定義一個具有兩個 Dense 層的 Keras 模型。我們想要調整第一個 Dense 層中的單元數量。我們只使用 hp.Int('units', min_value=32, max_value=512, step=32) 定義一個整數超參數,其範圍從 32 到 512(含)。當從中取樣時,遍歷間隔的最小步長為 32。

import keras
from keras import layers


def build_model(hp):
    model = keras.Sequential()
    model.add(layers.Flatten())
    model.add(
        layers.Dense(
            # Define the hyperparameter.
            units=hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32),
            activation="relu",
        )
    )
    model.add(layers.Dense(10, activation="softmax"))
    model.compile(
        optimizer="adam",
        loss="categorical_crossentropy",
        metrics=["accuracy"],
    )
    return model

您可以快速測試模型是否成功建立。

import keras_tuner

build_model(keras_tuner.HyperParameters())
<Sequential name=sequential, built=False>

還有許多其他類型的超參數。我們可以在函式中定義多個超參數。在以下程式碼中,我們使用 hp.Boolean() 調整是否使用 Dropout 層,使用 hp.Choice() 調整要使用的激活函式,並使用 hp.Float() 調整最佳化器的學習率。

def build_model(hp):
    model = keras.Sequential()
    model.add(layers.Flatten())
    model.add(
        layers.Dense(
            # Tune number of units.
            units=hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32),
            # Tune the activation function to use.
            activation=hp.Choice("activation", ["relu", "tanh"]),
        )
    )
    # Tune whether to use dropout.
    if hp.Boolean("dropout"):
        model.add(layers.Dropout(rate=0.25))
    model.add(layers.Dense(10, activation="softmax"))
    # Define the optimizer learning rate as a hyperparameter.
    learning_rate = hp.Float("lr", min_value=1e-4, max_value=1e-2, sampling="log")
    model.compile(
        optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=learning_rate),
        loss="categorical_crossentropy",
        metrics=["accuracy"],
    )
    return model


build_model(keras_tuner.HyperParameters())
<Sequential name=sequential_1, built=False>

如下所示,超參數是實際的值。事實上,它們只是回傳實際值的函式。例如,hp.Int() 回傳一個 int 值。因此,您可以將它們放入變數、for 迴圈或 if 條件中。

hp = keras_tuner.HyperParameters()
print(hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32))
32

您也可以預先定義超參數,並將您的 Keras 程式碼保留在單獨的函式中。

def call_existing_code(units, activation, dropout, lr):
    model = keras.Sequential()
    model.add(layers.Flatten())
    model.add(layers.Dense(units=units, activation=activation))
    if dropout:
        model.add(layers.Dropout(rate=0.25))
    model.add(layers.Dense(10, activation="softmax"))
    model.compile(
        optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=lr),
        loss="categorical_crossentropy",
        metrics=["accuracy"],
    )
    return model


def build_model(hp):
    units = hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32)
    activation = hp.Choice("activation", ["relu", "tanh"])
    dropout = hp.Boolean("dropout")
    lr = hp.Float("lr", min_value=1e-4, max_value=1e-2, sampling="log")
    # call existing model-building code with the hyperparameter values.
    model = call_existing_code(
        units=units, activation=activation, dropout=dropout, lr=lr
    )
    return model


build_model(keras_tuner.HyperParameters())
<Sequential name=sequential_2, built=False>

每個超參數都由其名稱(第一個引數)唯一識別。為了將不同 Dense 層中的單元數量分別調整為不同的超參數,我們將它們命名為不同的名稱,例如 f"units_{i}"

值得注意的是,這也是建立條件超參數的範例。有許多超參數指定 Dense 層中的單元數量。此類超參數的數量由層數決定,這也是一個超參數。因此,每次試驗使用的超參數總數可能不同。某些超參數僅在滿足特定條件時才使用。例如,units_3 僅在 num_layers 大於 3 時才使用。使用 KerasTuner,您可以在建立模型時輕鬆動態地定義此類超參數。

def build_model(hp):
    model = keras.Sequential()
    model.add(layers.Flatten())
    # Tune the number of layers.
    for i in range(hp.Int("num_layers", 1, 3)):
        model.add(
            layers.Dense(
                # Tune number of units separately.
                units=hp.Int(f"units_{i}", min_value=32, max_value=512, step=32),
                activation=hp.Choice("activation", ["relu", "tanh"]),
            )
        )
    if hp.Boolean("dropout"):
        model.add(layers.Dropout(rate=0.25))
    model.add(layers.Dense(10, activation="softmax"))
    learning_rate = hp.Float("lr", min_value=1e-4, max_value=1e-2, sampling="log")
    model.compile(
        optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=learning_rate),
        loss="categorical_crossentropy",
        metrics=["accuracy"],
    )
    return model


build_model(keras_tuner.HyperParameters())
<Sequential name=sequential_3, built=False>

在定義搜尋空間後,我們需要選擇一個調整器類別來執行搜尋。您可以從 RandomSearchBayesianOptimizationHyperband 中選擇,它們對應於不同的調整演算法。在這裡,我們以 RandomSearch 為例。

若要初始化調整器,我們需要在初始化器中指定幾個引數。

  • hypermodel。模型建立函式,在我們的例子中是 build_model
  • objective。要優化的目標名稱(是否最小化或最大化是針對內建指標自動推斷的)。我們將在本教學稍後介紹如何使用自訂指標。
  • max_trials。在搜尋期間要執行的試驗總數。
  • executions_per_trial。每個試驗應建立和擬合的模型數量。不同的試驗具有不同的超參數值。同一試驗內的執行具有相同的超參數值。每個試驗有多個執行的目的是為了減少結果變異,因此能夠更準確地評估模型的效能。如果您想更快地獲得結果,可以設定 executions_per_trial=1(每個模型組態的單輪訓練)。
  • overwrite。控制是否覆寫同一目錄中的先前結果,或改為恢復先前的搜尋。在這裡,我們設定 overwrite=True 以開始新的搜尋,並忽略任何先前的結果。
  • directory。用於儲存搜尋結果的目錄路徑。
  • project_namedirectory 中的子目錄名稱。
tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    hypermodel=build_model,
    objective="val_accuracy",
    max_trials=3,
    executions_per_trial=2,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="helloworld",
)

您可以列印搜尋空間的摘要

tuner.search_space_summary()
Search space summary
Default search space size: 5
num_layers (Int)
{'default': None, 'conditions': [], 'min_value': 1, 'max_value': 3, 'step': 1, 'sampling': 'linear'}
units_0 (Int)
{'default': None, 'conditions': [], 'min_value': 32, 'max_value': 512, 'step': 32, 'sampling': 'linear'}
activation (Choice)
{'default': 'relu', 'conditions': [], 'values': ['relu', 'tanh'], 'ordered': False}
dropout (Boolean)
{'default': False, 'conditions': []}
lr (Float)
{'default': 0.0001, 'conditions': [], 'min_value': 0.0001, 'max_value': 0.01, 'step': None, 'sampling': 'log'}

在開始搜尋之前,讓我們先準備 MNIST 資料集。

import keras
import numpy as np

(x, y), (x_test, y_test) = keras.datasets.mnist.load_data()

x_train = x[:-10000]
x_val = x[-10000:]
y_train = y[:-10000]
y_val = y[-10000:]

x_train = np.expand_dims(x_train, -1).astype("float32") / 255.0
x_val = np.expand_dims(x_val, -1).astype("float32") / 255.0
x_test = np.expand_dims(x_test, -1).astype("float32") / 255.0

num_classes = 10
y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_val = keras.utils.to_categorical(y_val, num_classes)
y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)

然後,開始搜尋最佳的超參數組態。傳遞給 search 的所有引數都會傳遞給每次執行中的 model.fit()。請記得傳遞 validation_data 以評估模型。

tuner.search(x_train, y_train, epochs=2, validation_data=(x_val, y_val))
Trial 3 Complete [00h 00m 19s]
val_accuracy: 0.9665500223636627
Best val_accuracy So Far: 0.9665500223636627
Total elapsed time: 00h 00m 40s

search 期間,會以不同試驗中的不同超參數值呼叫模型建立函式。在每次試驗中,調整器都會產生一組新的超參數值來建立模型。然後擬合並評估模型。會記錄指標。調整器會逐步探索空間,並最終找到一組良好的超參數值。

查詢結果

搜尋完成後,您可以擷取最佳模型。模型會儲存在 validation_data 上評估的最佳執行週期中。

# Get the top 2 models.
models = tuner.get_best_models(num_models=2)
best_model = models[0]
best_model.summary()
/usr/local/python/3.10.13/lib/python3.10/site-packages/keras/src/saving/saving_lib.py:388: UserWarning: Skipping variable loading for optimizer 'adam', because it has 2 variables whereas the saved optimizer has 18 variables. 
  trackable.load_own_variables(weights_store.get(inner_path))
/usr/local/python/3.10.13/lib/python3.10/site-packages/keras/src/saving/saving_lib.py:388: UserWarning: Skipping variable loading for optimizer 'adam', because it has 2 variables whereas the saved optimizer has 10 variables. 
  trackable.load_own_variables(weights_store.get(inner_path))
Model: "sequential"
┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━┓
┃ Layer (type)                     Output Shape                  Param # ┃
┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━┩
│ flatten (Flatten)               │ (32, 784)                 │          0 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dense (Dense)                   │ (32, 416)                 │    326,560 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dense_1 (Dense)                 │ (32, 512)                 │    213,504 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dense_2 (Dense)                 │ (32, 32)                  │     16,416 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dropout (Dropout)               │ (32, 32)                  │          0 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dense_3 (Dense)                 │ (32, 10)                  │        330 │
└─────────────────────────────────┴───────────────────────────┴────────────┘
 Total params: 556,810 (2.12 MB)
 Trainable params: 556,810 (2.12 MB)
 Non-trainable params: 0 (0.00 B)

您也可以列印搜尋結果的摘要。

tuner.results_summary()
Results summary
Results in my_dir/helloworld
Showing 10 best trials
Objective(name="val_accuracy", direction="max")
Trial 2 summary
Hyperparameters:
num_layers: 3
units_0: 416
activation: relu
dropout: True
lr: 0.0001324166048504802
units_1: 512
units_2: 32
Score: 0.9665500223636627
Trial 0 summary
Hyperparameters:
num_layers: 1
units_0: 128
activation: tanh
dropout: False
lr: 0.001425162921397599
Score: 0.9623999893665314
Trial 1 summary
Hyperparameters:
num_layers: 2
units_0: 512
activation: tanh
dropout: True
lr: 0.0010584293918512798
units_1: 32
Score: 0.9606499969959259

您會在資料夾 my_dir/helloworld 中找到詳細的記錄、檢查點等,即 directory/project_name

您也可以使用 TensorBoard 和 HParams 外掛程式視覺化調整結果。如需更多資訊,請依照此連結

重新訓練模型

如果您想使用整個資料集訓練模型,您可以擷取最佳超參數並自行重新訓練模型。

# Get the top 2 hyperparameters.
best_hps = tuner.get_best_hyperparameters(5)
# Build the model with the best hp.
model = build_model(best_hps[0])
# Fit with the entire dataset.
x_all = np.concatenate((x_train, x_val))
y_all = np.concatenate((y_train, y_val))
model.fit(x=x_all, y=y_all, epochs=1)
1/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━  17:57 575ms/step - accuracy: 0.1250 - loss: 2.3113


29/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.1753 - 損失:2.2296



63/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.2626 - 損失:2.1206



96/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.3252 - 損失:2.0103



130/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.3745 - 損失:1.9041



164/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.4139 - 損失:1.8094



199/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.4470 - 損失:1.7246



235/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.4752 - 損失:1.6493



270/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.4982 - 損失:1.5857



305/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.5182 - 損失:1.5293



339/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 2 毫秒/步驟 - 準確度:0.5354 - 損失:1.4800



374/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.5513 - 損失:1.4340



409/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.5656 - 損失:1.3924



444/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.5785 - 損失:1.3545



478/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.5899 - 損失:1.3208



513/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6006 - 損失:1.2887



548/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6104 - 損失:1.2592



583/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6195 - 損失:1.2318



618/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6279 - 損失:1.2063



653/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6358 - 損失:1.1823



688/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6431 - 損失:1.1598



723/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6500 - 損失:1.1387



758/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6564 - 損失:1.1189



793/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6625 - 損失:1.1002



828/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6682 - 損失:1.0826



863/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6736 - 損失:1.0658



899/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6788 - 損失:1.0495



935/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6838 - 損失:1.0339



970/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6885 - 損失:1.0195



1005/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6929 - 損失:1.0058



1041/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.6972 - 損失:0.9923



1076/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7012 - 損失:0.9798



1111/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7051 - 損失:0.9677



1146/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7088 - 損失:0.9561



1182/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7124 - 損失:0.9446



1218/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7159 - 損失:0.9336



1254/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7193 - 損失:0.9230



1289/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7225 - 損失:0.9131



1324/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7255 - 損失:0.9035



1359/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7284 - 損失:0.8943



1394/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7313 - 損失:0.8853



1429/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7341 - 損失:0.8767



1465/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7368 - 損失:0.8680



1500/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7394 - 損失:0.8599



1535/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7419 - 損失:0.8520



1570/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7443 - 損失:0.8444



1605/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7467 - 損失:0.8370



1639/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7489 - 損失:0.8299



1674/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7511 - 損失:0.8229



1707/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7532 - 損失:0.8164



1741/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7552 - 損失:0.8099



1774/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7572 - 損失:0.8038



1809/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7592 - 損失:0.7975



1843/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7611 - 損失:0.7915



1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3 秒 1 毫秒/步驟 - 準確度:0.7629 - 損失:0.7858

<keras.src.callbacks.history.History at 0x7f31883d9e10>

調整模型訓練

若要調整模型建立過程,我們需要繼承 HyperModel 類別,這也讓超模型的共用和重複使用變得容易。

我們需要覆寫 HyperModel.build()HyperModel.fit(),分別調整模型建立和訓練過程。HyperModel.build() 方法與模型建立函式相同,該函式使用超參數建立 Keras 模型並回傳它。

HyperModel.fit() 中,您可以存取 HyperModel.build()hp 和傳遞給 search() 的所有引數回傳的模型。您需要訓練模型並回傳訓練歷史記錄。

在以下程式碼中,我們將調整 model.fit() 中的 shuffle 引數。

通常不需要調整執行週期的數量,因為會將內建的回呼傳遞給 model.fit(),以在由 validation_data 評估的最佳執行週期儲存模型。

注意**kwargs 應始終傳遞給 model.fit(),因為它包含用於模型儲存和 TensorBoard 外掛程式的回呼。

class MyHyperModel(keras_tuner.HyperModel):
    def build(self, hp):
        model = keras.Sequential()
        model.add(layers.Flatten())
        model.add(
            layers.Dense(
                units=hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32),
                activation="relu",
            )
        )
        model.add(layers.Dense(10, activation="softmax"))
        model.compile(
            optimizer="adam",
            loss="categorical_crossentropy",
            metrics=["accuracy"],
        )
        return model

    def fit(self, hp, model, *args, **kwargs):
        return model.fit(
            *args,
            # Tune whether to shuffle the data in each epoch.
            shuffle=hp.Boolean("shuffle"),
            **kwargs,
        )

同樣地,我們可以快速檢查程式碼是否正常運作。

hp = keras_tuner.HyperParameters()
hypermodel = MyHyperModel()
model = hypermodel.build(hp)
hypermodel.fit(hp, model, np.random.rand(100, 28, 28), np.random.rand(100, 10))

1/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0 秒 279 毫秒/步驟 - 準確度:0.0000e+00 - 損失:12.2230



4/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 108毫秒/步驟 - 準確度: 0.0679 - 損失: 11.9568



4/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 109毫秒/步驟 - 準確度: 0.0763 - 損失: 11.8941

<keras.src.callbacks.history.History at 0x7f318865c100>

調整資料預處理

若要調整資料預處理,我們只需在 HyperModel.fit() 中加入一個額外步驟,即可從參數存取資料集。在下列程式碼中,我們調整是否在訓練模型前正規化資料。這次我們明確地將 xy 放入函式簽名中,因為我們需要使用它們。

class MyHyperModel(keras_tuner.HyperModel):
    def build(self, hp):
        model = keras.Sequential()
        model.add(layers.Flatten())
        model.add(
            layers.Dense(
                units=hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32),
                activation="relu",
            )
        )
        model.add(layers.Dense(10, activation="softmax"))
        model.compile(
            optimizer="adam",
            loss="categorical_crossentropy",
            metrics=["accuracy"],
        )
        return model

    def fit(self, hp, model, x, y, **kwargs):
        if hp.Boolean("normalize"):
            x = layers.Normalization()(x)
        return model.fit(
            x,
            y,
            # Tune whether to shuffle the data in each epoch.
            shuffle=hp.Boolean("shuffle"),
            **kwargs,
        )


hp = keras_tuner.HyperParameters()
hypermodel = MyHyperModel()
model = hypermodel.build(hp)
hypermodel.fit(hp, model, np.random.rand(100, 28, 28), np.random.rand(100, 10))

1/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 276毫秒/步驟 - 準確度: 0.1250 - 損失: 12.0090



4/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 94毫秒/步驟 - 準確度: 0.0994 - 損失: 12.1242



4/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 95毫秒/步驟 - 準確度: 0.0955 - 損失: 12.1594

<keras.src.callbacks.history.History at 0x7f31ba836200>

如果超參數在 build()fit() 中都有用到,您可以在 build() 中定義它,並在 fit() 中使用 hp.get(hp_name) 來擷取它。我們以圖片大小為例。它在 build() 中用作輸入形狀,並在 fit() 中由資料預處理步驟用來裁剪圖片。

class MyHyperModel(keras_tuner.HyperModel):
    def build(self, hp):
        image_size = hp.Int("image_size", 10, 28)
        inputs = keras.Input(shape=(image_size, image_size))
        outputs = layers.Flatten()(inputs)
        outputs = layers.Dense(
            units=hp.Int("units", min_value=32, max_value=512, step=32),
            activation="relu",
        )(outputs)
        outputs = layers.Dense(10, activation="softmax")(outputs)
        model = keras.Model(inputs, outputs)
        model.compile(
            optimizer="adam",
            loss="categorical_crossentropy",
            metrics=["accuracy"],
        )
        return model

    def fit(self, hp, model, x, y, validation_data=None, **kwargs):
        if hp.Boolean("normalize"):
            x = layers.Normalization()(x)
        image_size = hp.get("image_size")
        cropped_x = x[:, :image_size, :image_size, :]
        if validation_data:
            x_val, y_val = validation_data
            cropped_x_val = x_val[:, :image_size, :image_size, :]
            validation_data = (cropped_x_val, y_val)
        return model.fit(
            cropped_x,
            y,
            # Tune whether to shuffle the data in each epoch.
            shuffle=hp.Boolean("shuffle"),
            validation_data=validation_data,
            **kwargs,
        )


tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    MyHyperModel(),
    objective="val_accuracy",
    max_trials=3,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="tune_hypermodel",
)

tuner.search(x_train, y_train, epochs=2, validation_data=(x_val, y_val))
Trial 3 Complete [00h 00m 04s]
val_accuracy: 0.9567000269889832
Best val_accuracy So Far: 0.9685999751091003
Total elapsed time: 00h 00m 13s

重新訓練模型

使用 HyperModel 也允許您自行重新訓練最佳模型。

hypermodel = MyHyperModel()
best_hp = tuner.get_best_hyperparameters()[0]
model = hypermodel.build(best_hp)
hypermodel.fit(best_hp, model, x_all, y_all, epochs=1)
1/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━  9:00 289ms/step - accuracy: 0.0000e+00 - loss: 2.4352


52/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 996微秒/步驟 - 準確度: 0.6035 - 損失: 1.3521



110/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 925微秒/步驟 - 準確度: 0.7037 - 損失: 1.0231



171/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 890微秒/步驟 - 準確度: 0.7522 - 損失: 0.8572



231/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 877微秒/步驟 - 準確度: 0.7804 - 損失: 0.7590



291/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 870微秒/步驟 - 準確度: 0.7993 - 損失: 0.6932



350/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 867微秒/步驟 - 準確度: 0.8127 - 損失: 0.6467



413/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 856微秒/步驟 - 準確度: 0.8238 - 損失: 0.6079



476/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 848微秒/步驟 - 準確度: 0.8326 - 損失: 0.5774



535/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 849微秒/步驟 - 準確度: 0.8394 - 損失: 0.5536



600/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 841微秒/步驟 - 準確度: 0.8458 - 損失: 0.5309



661/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1秒 840微秒/步驟 - 準確度: 0.8511 - 損失: 0.5123



723/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 837微秒/步驟 - 準確度: 0.8559 - 損失: 0.4955



783/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 838微秒/步驟 - 準確度: 0.8600 - 損失: 0.4811



847/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 834微秒/步驟 - 準確度: 0.8640 - 損失: 0.4671



912/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 830微秒/步驟 - 準確度: 0.8677 - 損失: 0.4544



976/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 827微秒/步驟 - 準確度: 0.8709 - 損失: 0.4429



1040/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 825微秒/步驟 - 準確度: 0.8738 - 損失: 0.4325



1104/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 822微秒/步驟 - 準確度: 0.8766 - 損失: 0.4229



1168/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 821微秒/步驟 - 準確度: 0.8791 - 損失: 0.4140



1233/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 818微秒/步驟 - 準確度: 0.8815 - 損失: 0.4056



1296/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 817微秒/步驟 - 準確度: 0.8837 - 損失: 0.3980



1361/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 815微秒/步驟 - 準確度: 0.8858 - 損失: 0.3907



1424/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 814微秒/步驟 - 準確度: 0.8877 - 損失: 0.3840



1488/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 813微秒/步驟 - 準確度: 0.8895 - 損失: 0.3776



1550/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 813微秒/步驟 - 準確度: 0.8912 - 損失: 0.3718



1613/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 813微秒/步驟 - 準確度: 0.8928 - 損失: 0.3662



1678/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 811微秒/步驟 - 準確度: 0.8944 - 損失: 0.3607



1744/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 809微秒/步驟 - 準確度: 0.8959 - 損失: 0.3555



1810/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 808微秒/步驟 - 準確度: 0.8973 - 損失: 0.3504



1874/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 807微秒/步驟 - 準確度: 0.8987 - 損失: 0.3457



1875/1875 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2秒 808微秒/步驟 - 準確度: 0.8987 - 損失: 0.3456

<keras.src.callbacks.history.History at 0x7f31884b3070>

指定調整目標

在之前的所有範例中,我們都只使用驗證準確度 ("val_accuracy") 作為調整目標來選擇最佳模型。實際上,您可以使用任何指標作為目標。最常用的指標是 "val_loss",即驗證損失。

內建指標作為目標

在 Keras 中,您可以使用許多其他內建指標作為目標。這是內建指標的列表

若要使用內建指標作為目標,您需要遵循以下步驟

  • 使用內建指標編譯模型。例如,您想要使用 MeanAbsoluteError()。您需要使用 metrics=[MeanAbsoluteError()] 編譯模型。您也可以使用其名稱字串來代替:metrics=["mean_absolute_error"]。指標的名稱字串始終是類別名稱的蛇形命名法。
  • 識別目標名稱字串。目標的名稱字串始終為 f"val_{metric_name_string}" 的格式。例如,在驗證資料上評估的均方誤差的目標名稱字串應為 "val_mean_absolute_error"
  • 將其包裝到 keras_tuner.Objective 中。我們通常需要將目標包裝到 keras_tuner.Objective 物件中,以指定優化目標的方向。例如,我們想要最小化均方誤差,可以使用 keras_tuner.Objective("val_mean_absolute_error", "min")。方向應為 "min""max"
  • 將包裝好的目標傳遞給調整器。

您可以看到以下簡化的程式碼範例。

def build_regressor(hp):
    model = keras.Sequential(
        [
            layers.Dense(units=hp.Int("units", 32, 128, 32), activation="relu"),
            layers.Dense(units=1),
        ]
    )
    model.compile(
        optimizer="adam",
        loss="mean_squared_error",
        # Objective is one of the metrics.
        metrics=[keras.metrics.MeanAbsoluteError()],
    )
    return model


tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    hypermodel=build_regressor,
    # The objective name and direction.
    # Name is the f"val_{snake_case_metric_class_name}".
    objective=keras_tuner.Objective("val_mean_absolute_error", direction="min"),
    max_trials=3,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="built_in_metrics",
)

tuner.search(
    x=np.random.rand(100, 10),
    y=np.random.rand(100, 1),
    validation_data=(np.random.rand(20, 10), np.random.rand(20, 1)),
)

tuner.results_summary()
Trial 3 Complete [00h 00m 01s]
val_mean_absolute_error: 0.39589792490005493
Best val_mean_absolute_error So Far: 0.34321871399879456
Total elapsed time: 00h 00m 03s
Results summary
Results in my_dir/built_in_metrics
Showing 10 best trials
Objective(name="val_mean_absolute_error", direction="min")
Trial 1 summary
Hyperparameters:
units: 32
Score: 0.34321871399879456
Trial 2 summary
Hyperparameters:
units: 128
Score: 0.39589792490005493
Trial 0 summary
Hyperparameters:
units: 96
Score: 0.5005304217338562

自訂指標作為目標

您可以實作自己的指標,並將其用作超參數搜尋目標。在這裡,我們以均方誤差 (MSE) 為例。首先,我們透過子類化 keras.metrics.Metric 來實作 MSE 指標。請記住使用 super().__init__()name 引數為您的指標命名,這將在稍後使用。注意:MSE 實際上是內建指標,可以使用 keras.metrics.MeanSquaredError 匯入。這只是一個範例,展示如何使用自訂指標作為超參數搜尋目標。

有關實作自訂指標的更多資訊,請參閱本教學。如果您想要的指標的函式簽名與 update_state(y_true, y_pred, sample_weight) 不同,您可以按照本教學覆寫模型的 train_step() 方法。

from keras import ops


class CustomMetric(keras.metrics.Metric):
    def __init__(self, **kwargs):
        # Specify the name of the metric as "custom_metric".
        super().__init__(name="custom_metric", **kwargs)
        self.sum = self.add_weight(name="sum", initializer="zeros")
        self.count = self.add_weight(name="count", dtype="int32", initializer="zeros")

    def update_state(self, y_true, y_pred, sample_weight=None):
        values = ops.square(y_true - y_pred)
        count = ops.shape(y_true)[0]
        if sample_weight is not None:
            sample_weight = ops.cast(sample_weight, self.dtype)
            values *= sample_weight
            count *= sample_weight
        self.sum.assign_add(ops.sum(values))
        self.count.assign_add(count)

    def result(self):
        return self.sum / ops.cast(self.count, "float32")

    def reset_state(self):
        self.sum.assign(0)
        self.count.assign(0)

使用自訂目標執行搜尋。

def build_regressor(hp):
    model = keras.Sequential(
        [
            layers.Dense(units=hp.Int("units", 32, 128, 32), activation="relu"),
            layers.Dense(units=1),
        ]
    )
    model.compile(
        optimizer="adam",
        loss="mean_squared_error",
        # Put custom metric into the metrics.
        metrics=[CustomMetric()],
    )
    return model


tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    hypermodel=build_regressor,
    # Specify the name and direction of the objective.
    objective=keras_tuner.Objective("val_custom_metric", direction="min"),
    max_trials=3,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="custom_metrics",
)

tuner.search(
    x=np.random.rand(100, 10),
    y=np.random.rand(100, 1),
    validation_data=(np.random.rand(20, 10), np.random.rand(20, 1)),
)

tuner.results_summary()
Trial 3 Complete [00h 00m 01s]
val_custom_metric: 0.2830956280231476
Best val_custom_metric So Far: 0.2529197633266449
Total elapsed time: 00h 00m 02s
Results summary
Results in my_dir/custom_metrics
Showing 10 best trials
Objective(name="val_custom_metric", direction="min")
Trial 0 summary
Hyperparameters:
units: 32
Score: 0.2529197633266449
Trial 2 summary
Hyperparameters:
units: 128
Score: 0.2830956280231476
Trial 1 summary
Hyperparameters:
units: 96
Score: 0.4656866192817688

如果您的自訂目標難以放入自訂指標中,您也可以在 HyperModel.fit() 中自行評估模型並傳回目標值。預設情況下,目標值將被最小化。在這種情況下,您不需要在初始化調整器時指定 objective。但是,在這種情況下,指標值只會由 KerasTuner 日誌追蹤,而不會在 Keras 日誌中追蹤。因此,這些值將不會顯示在使用 Keras 指標的任何 TensorBoard 視圖中。

class HyperRegressor(keras_tuner.HyperModel):
    def build(self, hp):
        model = keras.Sequential(
            [
                layers.Dense(units=hp.Int("units", 32, 128, 32), activation="relu"),
                layers.Dense(units=1),
            ]
        )
        model.compile(
            optimizer="adam",
            loss="mean_squared_error",
        )
        return model

    def fit(self, hp, model, x, y, validation_data, **kwargs):
        model.fit(x, y, **kwargs)
        x_val, y_val = validation_data
        y_pred = model.predict(x_val)
        # Return a single float to minimize.
        return np.mean(np.abs(y_pred - y_val))


tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    hypermodel=HyperRegressor(),
    # No objective to specify.
    # Objective is the return value of `HyperModel.fit()`.
    max_trials=3,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="custom_eval",
)
tuner.search(
    x=np.random.rand(100, 10),
    y=np.random.rand(100, 1),
    validation_data=(np.random.rand(20, 10), np.random.rand(20, 1)),
)

tuner.results_summary()
Trial 3 Complete [00h 00m 01s]
default_objective: 0.6571611521766413
Best default_objective So Far: 0.40719249752993525
Total elapsed time: 00h 00m 02s
Results summary
Results in my_dir/custom_eval
Showing 10 best trials
Objective(name="default_objective", direction="min")
Trial 1 summary
Hyperparameters:
units: 128
Score: 0.40719249752993525
Trial 0 summary
Hyperparameters:
units: 96
Score: 0.4992297225533352
Trial 2 summary
Hyperparameters:
units: 32
Score: 0.6571611521766413

如果您在 KerasTuner 中有多個指標要追蹤,但只使用其中一個作為目標,您可以傳回字典,其鍵為指標名稱,值為指標值,例如,傳回 {"metric_a": 1.0, "metric_b", 2.0}。使用其中一個鍵作為目標名稱,例如,keras_tuner.Objective("metric_a", "min")

class HyperRegressor(keras_tuner.HyperModel):
    def build(self, hp):
        model = keras.Sequential(
            [
                layers.Dense(units=hp.Int("units", 32, 128, 32), activation="relu"),
                layers.Dense(units=1),
            ]
        )
        model.compile(
            optimizer="adam",
            loss="mean_squared_error",
        )
        return model

    def fit(self, hp, model, x, y, validation_data, **kwargs):
        model.fit(x, y, **kwargs)
        x_val, y_val = validation_data
        y_pred = model.predict(x_val)
        # Return a dictionary of metrics for KerasTuner to track.
        return {
            "metric_a": -np.mean(np.abs(y_pred - y_val)),
            "metric_b": np.mean(np.square(y_pred - y_val)),
        }


tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    hypermodel=HyperRegressor(),
    # Objective is one of the keys.
    # Maximize the negative MAE, equivalent to minimize MAE.
    objective=keras_tuner.Objective("metric_a", "max"),
    max_trials=3,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="custom_eval_dict",
)
tuner.search(
    x=np.random.rand(100, 10),
    y=np.random.rand(100, 1),
    validation_data=(np.random.rand(20, 10), np.random.rand(20, 1)),
)

tuner.results_summary()
Trial 3 Complete [00h 00m 01s]
metric_a: -0.39470441501524833
Best metric_a So Far: -0.3836997988261662
Total elapsed time: 00h 00m 02s
Results summary
Results in my_dir/custom_eval_dict
Showing 10 best trials
Objective(name="metric_a", direction="max")
Trial 1 summary
Hyperparameters:
units: 64
Score: -0.3836997988261662
Trial 2 summary
Hyperparameters:
units: 32
Score: -0.39470441501524833
Trial 0 summary
Hyperparameters:
units: 96
Score: -0.46081380465766364

調整端對端工作流程

在某些情況下,很難將您的程式碼對齊到建置和擬合函式中。您也可以透過覆寫 Tuner.run_trial() 將您的端對端工作流程保留在一個地方,這可讓您完全控制試驗。您可以將其視為任何內容的黑箱最佳化器。

調整任何函式

例如,您可以找到一個使 f(x)=x*x+1 最小化的 x 值。在下列程式碼中,我們只將 x 定義為超參數,並傳回 f(x) 作為目標值。可以省略初始化調整器的 hypermodelobjective 引數。

class MyTuner(keras_tuner.RandomSearch):
    def run_trial(self, trial, *args, **kwargs):
        # Get the hp from trial.
        hp = trial.hyperparameters
        # Define "x" as a hyperparameter.
        x = hp.Float("x", min_value=-1.0, max_value=1.0)
        # Return the objective value to minimize.
        return x * x + 1


tuner = MyTuner(
    # No hypermodel or objective specified.
    max_trials=20,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="tune_anything",
)

# No need to pass anything to search()
# unless you use them in run_trial().
tuner.search()
print(tuner.get_best_hyperparameters()[0].get("x"))
Trial 20 Complete [00h 00m 00s]
default_objective: 1.6547719581194267
Best default_objective So Far: 1.0013236767905302
Total elapsed time: 00h 00m 00s
0.03638236922645777

將 Keras 程式碼分開

您可以保持所有 Keras 程式碼不變,並使用 KerasTuner 來調整它。如果您因某些原因無法修改 Keras 程式碼,這會很有用。

它也為您提供了更大的彈性。您不必將模型建置和訓練程式碼分開。但是,此工作流程無法幫助您儲存模型或連接 TensorBoard 外掛程式。

若要儲存模型,您可以使用 trial.trial_id,它是一個唯一識別試驗的字串,以建構不同的路徑來儲存來自不同試驗的模型。

import os


def keras_code(units, optimizer, saving_path):
    # Build model
    model = keras.Sequential(
        [
            layers.Dense(units=units, activation="relu"),
            layers.Dense(units=1),
        ]
    )
    model.compile(
        optimizer=optimizer,
        loss="mean_squared_error",
    )

    # Prepare data
    x_train = np.random.rand(100, 10)
    y_train = np.random.rand(100, 1)
    x_val = np.random.rand(20, 10)
    y_val = np.random.rand(20, 1)

    # Train & eval model
    model.fit(x_train, y_train)

    # Save model
    model.save(saving_path)

    # Return a single float as the objective value.
    # You may also return a dictionary
    # of {metric_name: metric_value}.
    y_pred = model.predict(x_val)
    return np.mean(np.abs(y_pred - y_val))


class MyTuner(keras_tuner.RandomSearch):
    def run_trial(self, trial, **kwargs):
        hp = trial.hyperparameters
        return keras_code(
            units=hp.Int("units", 32, 128, 32),
            optimizer=hp.Choice("optimizer", ["adam", "adadelta"]),
            saving_path=os.path.join("/tmp", f"{trial.trial_id}.keras"),
        )


tuner = MyTuner(
    max_trials=3,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="keep_code_separate",
)
tuner.search()
# Retraining the model
best_hp = tuner.get_best_hyperparameters()[0]
keras_code(**best_hp.values, saving_path="/tmp/best_model.keras")
Trial 3 Complete [00h 00m 00s]
default_objective: 0.18014027375230962
Best default_objective So Far: 0.18014027375230962
Total elapsed time: 00h 00m 03s

1/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 172毫秒/步驟 - 損失: 0.5030



4/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 60毫秒/步驟 - 損失: 0.5288



4/4 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 61毫秒/步驟 - 損失: 0.5367

1/1 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 27毫秒/步驟



1/1 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 0秒 28毫秒/步驟

0.5918120126201316

KerasTuner 包含預先製作的可調整應用程式:HyperResNet 和 HyperXception

這些是適用於電腦視覺的現成超模型。

它們預先編譯了 loss="categorical_crossentropy"metrics=["accuracy"]

from keras_tuner.applications import HyperResNet

hypermodel = HyperResNet(input_shape=(28, 28, 1), classes=10)

tuner = keras_tuner.RandomSearch(
    hypermodel,
    objective="val_accuracy",
    max_trials=2,
    overwrite=True,
    directory="my_dir",
    project_name="built_in_hypermodel",
)