TensorFlow2中Keras模型保存与加载

0. 加载数据、构建网络
1. model.save() & model.save_weights()
- 1.1 model.save()
- 1.2 model.save_weights()
2. tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint
3. tf.keras.models.load_model、model.load_weights
- 3.1 tf.keras.models.load_model
- 3.2 model.load_weights
4. 总结

主要记录在Tensorflow2中使用Keras API接口，有关模型保存、加载的内容；

0. 加载数据、构建网络

首先，为了方便后续有关模型保存、加载相关代码的正常执行，这里加载mnist数据集、构建一个简单的网络结构。

import tensorflow as tf
from libs.load_keras_dataset import load_mnist

注意：下面引入mnist数据集的方式，仅为了方便作者从本地加载、使用；

mnist_path = \'/home/chenz/data/mnist/mnist.npz\'
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = load_mnist(data_path=mnist_path)
print("[INFO] x_train: {}, y_train: {}, x_test: {}, y_test: {}".format(
    x_train.shape, y_train.shape, x_test.shape, y_test.shape
))
train_labels = y_train[:1000]
test_labels = y_test[:1000]
train_images = x_train[:1000].reshape(-1, 28*28) / 255.0
test_images = x_test[:1000].reshape(-1, 28*28) / 255.0

print("[INFO] train_images: {}, train_labels: {}, test_images: {}, test_labels: {}".format(
    train_images.shape, train_labels.shape, test_images.shape, test_labels.shape
))

[INFO] x_train: (60000, 28, 28), y_train: (60000,), x_test: (10000, 28, 28), y_test: (10000,)
[INFO] train_images: (1000, 784), train_labels: (1000,), test_images: (1000, 784), test_labels: (1000,)

定义一个方法，用于构建网络结构，并定义网络编译方式，方便后续使用；

# Build Model
def create_model():
    model = tf.keras.Sequential([
        tf.keras.layers.Dense(512, activation=\'relu\', input_shape=(784,)),
        tf.keras.layers.Dropout(0.2),
        tf.keras.layers.Dense(10)
    ])
    model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001, beta_1=0.1, beta_2=0.2, amsgrad=True),
                  loss=tf.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
                  metrics=[tf.metrics.SparseCategoricalAccuracy()])
    return model

1. model.save() & model.save_weights()

在TensorFlow的Keras API中提供了两种保存模型的方式，分别为model.save()、model.save_weights()，从字面上可以简单理解，后者仅保存网络结构权重，前者能够保存整个模型结构；

进一步，从源码文档中可以理清两者的区别：

1.1 model.save()

该方法能够将整个模型进行保存，以两种方式存储，Tensorflow SavedModel、HDF file，保存的文件包括：

模型结构，能够重新实例化模型；
模型权重；
优化器的状态，在上次中断的地方继续训练；

可以通过tf.keras.models.load_model重新实例化保存的模型，通过该方法返回的模型是已经编译过的模型，除非在之前保存模型的时候就没有被编译；

利用Sequential和Functional两种形式构建的网络都能够保存成HDF5和SavedModel格式，但是Subclasses形式的模型仅能够保存成SavedModel格式；

# HDF5格式
model_name.h5

# Tensorflow SavedModel格式
./saved_model
	assets/
	saved_model.pb
	variables/

使用参数说明：

def save(self,
           filepath,
           overwrite=True,
           include_optimizer=True,
           save_format=None,
           signatures=None,
           options=None):

filepath表示模型存储的路径；
save_format表示以tf或者h5形式进行存储，在TF2中默认tf，TF1中默认h5；
overwrite表示是否覆盖在目标目录下的已有文件；
include_optimizer表示是否保存优化器的状态；
signatures仅用于tf形式，具体使用见tf.saved_model.save；

filepath和save_format结合在一起使用，有如下组合方式：

filepath以.h5为结尾的文件名，则不论save_format是tf或者h5，则模型将保存成filename.h5形式；（上级目录需要存在）
filepath仅指定文件名，save_format=\'h5\'，则模型将保存成filename的HDF形式；
filepath指定路径(需存在)，save_format=\'tf\'，则模型将以Tensorflow SavedModel形式保存到指定路径下；

注意：filepath不包含后缀时，注意区分是文件目录还是文件名，以tf形式保存，则需要存在指定路径，以h5形式保存，则不能存在相同名称路径；

1.2 model.save_weights()

该方法仅保存网络中所有层的权重，

# HDF5格式
weights_2 or weights_3.h5

# Tensorflow 格式
checkpoint 
weiths_1.data-00000-of-00001
weigths_1.index

使用参数说明：

def save_weights(self,
                 filepath,
                 overwrite=True,
                 save_format=None,
                 options=None):

filepath表示存储的模型文件名或路径；
save_format用于表示存储格式，HDF5或者Tensorflow格式；

filepath与save_format结合使用：

filepath以后缀.h5或者.keras结尾，设置save_format=None或者save_format=None，模型将保存成filename.h5或filename.keras格式；
filepath不含后缀，如果save_format=\'h5\'，则模型保存成filename；
filepath不含后缀，如果save_format=\'tf\'或者save_format=None，则模型保存成Tensorflow格式；

2. tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint

该方法以回调函数的形式，在模型训练过程中保存模型。

def __init__(self,
             filepath,
             monitor=\'val_loss\',
             verbose=0,
             save_best_only=False,
             save_weights_only=False,
             mode=\'auto\',
             save_freq=\'epoch\',
             options=None,
             **kwargs):

这里仅提及一点，就是在使用参数save_weights_only时：

设置True，则调用model.save_weights()；
设置False，则调用model.save()；

使用方式：

checkpoint_path = "./saved_model/save_and_load/cp_test_1/cp.ckpt"
cp_callback = tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath=checkpoint_path,
                                                 save_weights_only=False,
                                                 verbose=1)
model.fit(train_images, train_labels,
          epochs=3,
          validation_data=(test_images, test_labels),
          callbacks=[cp_callback])

3. tf.keras.models.load_model、model.load_weights

上面简单说明了模型保存的两种方式，一种是保存整个模型，另一种则是仅保存模型权重；

完整的模型可以使用tf.keras.models.load_model加载，只包含权重的模型则使用model.load_weights加载；

3.1 tf.keras.models.load_model

加载完整模型

model_path = \'./saved_model/save_and_load/save_test/test_5/\'

model = tf.keras.models.load_model(model_path)
model.summary()

其中，model_path可以为.h5文件的路径，或者Tensorflow SavedModel的路径

3.2 model.load_weights

在重新构建网络的基础上，加载模型权重；

model = create_model()
model.load_weights("./saved_model/save_and_load/save_test/weights/weights_1")
model.summary()

4. 总结

官方API是推荐Tensorflow格式进行保存模型，不论是保存整个模型，或是仅保存权重；

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