CNN基础四：监测并控制训练过程的法宝——Keras回调函数和TensorBoard

训练模型时，很多事情一开始都无法预测。比如之前我们为了找出迭代多少轮才能得到最佳验证损失，可能会先迭代100次，迭代完成后画出运行结果，发现在中间就开始过拟合了，于是又重新开始训练。

类似的情况很多，于是我们想要实时监测训练动态，并能根据训练情况及时对模型采取一定的措施。Keras中的回调函数和tf的TensorBoard就是为此而生。

Keras回调函数

回调函数（callbacks）是在调用fit时传入模型的一个对象，它在训练过程中的不同时间点都会被模型调用。它可以访问关于模型状态和性能的所有可用数据，还可以采取行动：中断训练、保存模型、加载一组不同的权重或者改变模型的状态。也就是说，之前在训练模型的过程中，我们不知道模型的实时状态，因此为了更好的监测和控制模型的训练过程，我们派出了一个特派员——回调函数，它可以根据情况记录、反馈或者采取措施。我们熟悉的训练进度条和fit返回的history都是回调函数，只不过它俩因为太常用，所以被单独拎出来。

fit和fit_generator函数都提供了callbacks接口。常用的回调函数有：

ModelCheckpoint（在每轮过后保存当前模型）；
EarlyStopping（如果监控参数得不到改善就中断训练）；
LearningRateScheduler（在训练过程中动态调整学习率）；
ReduceLROnPlateau（如果验证表现得不到改善，可以用它降低学习率，跳出局部最小值）；
CSVLogger（将每个epoch的结果写入CSV文件）。
其他回调函数，也可以根据需要自行编写。

应用示例：

from keras.callbacks import EarlyStopping, ModelCheckpoint, ReduceLROnPlateau

#fit提供callbacks接口，接收一个回调函数列表，可将任意个回调函数传入模型中
callback_lists = []

callback_lists.append(EarlyStopping(monitor = 'acc', #监控模型的验证精度
                                    patience = 1)) #如果精度在多于一轮的时间（即两轮）内不再改善，就中断训练

callback_lists.append(ModelCheckpoint(filepath = 'my_model.h5', #目标文件的保存路径
                                      monitor = 'val_loss',  #监控验证损失
                                      save_best_only = True)) #只保存最佳模型

callback_lists.append(ReduceLROnPlateau(monitor = 'val_loss',  #监控模型的验证损失
                                      factor = 0.1,  #触发时将学习率乘以系数0.1
                                      patience = 10) #若验证损失在10轮内都没有改善，则触发该回调函数

#由于回调函数要监控验证损失和验证精度，所以在调用fit时需要传入validation_data
model.fit(x, y, epochs = 10, batch_size = 32,
         callbacks = callbacks_list,
         validation_data = (x_val, y_val))

TensorBoard：实时可视化工具

TensorBoard是内置于TensorFlow中基于浏览器的可视化工具，安装TensorFlow时会自动安装这个工具。简单来说，它就是把训练过程数据写入文件，然后用浏览器查看的工具。在Keras中，它也被包装成一个回调函数。

示例如下：

#引入Tensorboard
from keras.callbacks import TensorBoard

#定义回调函数列表，现在只放一个简单的TensorBoard
log_path = './logs' #指定TensorBoard读取的文件路径，可以新建一个
callback_lists = [TensorBoard(log_dir=log_path, histogram_freq=1)]

#模型调用fit时，通过回调函数接口传入
model.fit(...inputs and parameters..., callbacks=callback_lists)

为了在训练的过程中可视化各项指标，需要自己在终端启动TensorBoard。

打开终端的方式有两种：一种是系统自带的终端cmd；另一种是在Anaconda Prompt终端。选择用哪种终端打开，根据当时安装tensorflow时用的终端方式。我试了下cmd，总是出错，但在Anaconda Prompt终端就能正常启动。

启动方式：在终端输入 tensorboard --logdir=C:Users...logs （自己文件的路径），就会返回一行信息，包含了一个http网址。这个地址一般是不会改变的，在浏览器中输入提示的http地址，即可查看模型的训练过程和相关状态，如下图所示。

CNN基础四：监测并控制训练过程的法宝——Keras回调函数和TensorBoard