Tensorflow入门教程（10）

上次文章：

闫17：Tensorflow入门教程（9）​ zhuanlan.zhihu.com

本次对应代码：

https://github.com/SaoYan/LearningTensorflow/blob/master/exp08_Embedding_Visualization.py​ github.com

官方文档参考阅读：

https://www.tensorflow.org/versions/master/programmers_guide/embedding​ www.tensorflow.org
https://www.tensorflow.org/versions/r1.2/get_started/embedding_viz​ www.tensorflow.org

同步连载于个人公众号“SaoYan”

What is embedding

简单来说，embedding就是实体对象的数值化表示。“实体对象”可以是image、word等，“数值化表示”就是一个编码向量。例如对“颜色“这种实体对象用（R，G，B）这样一个三元素向量编码。

embedding还可以理解成将离散目标投影到连续空间中的某个点上。

数值化的embedding vector本身是没有意义的，不同vector之间的相对关系才是有实际意义的。

例如：NLP中最基本的word embedding，给每一个单词一个N维编码向量（或者说将每个word投影到N维空间中），我们期望这种编码满足这样的特性：两个向量之间的”距离“越小，代表这两个单词含义越接近。我们甚至可能期望更复杂的特性，例如能够在这个N维空间中找到一个代表”性别“的超平面，使相反性别的单词合理的分布在这个超平面两侧（比如“boy”和“girl”是关于这个超平面对称的）。

embedding的用处很多，还是用word embedding做例子，如果我们找到了一种能够具有优良性质的编码，那么这组编码就可以作为理解语言的一个重要工具。例如通过判别单词相对于“性别超平面”的位置来获取“gender bias”信息。

可以类比一下高中的立体几何：当复杂的逻辑推理简化成精炼的空间向量运算的时候，立体几何的求解问题大大简化了。数值运算对于计算机来说也是一种可操作的目标了。

如果想利用embedding，前提是这个“编码”质量本身够好，或者说足够适合我们的应用需求，例如在OpenCV的推送中我们提到过在RGB空间进行直方图反投影效果远远不如HSV空间。也就是说，同样的一组颜色，在不同的编码方式下，特性和应用场合差异很大。

围绕embedding展开的两个经典研究领域至今还在贡献着热量

（1）如何构建这样的编码？比如在NLP领域经典的word embedding问题，单单是“如何编码”这个小问题，就吸引了无数学者，其中不乏Geoffrey Hinton，Yoshua Bengio这样的学术泰斗。

（2）如何度量两个embedding vector之间的相似度？有了编码，我们需要度量两个编码之间的“距离”。我们熟悉的欧氏距离在很多情境下是完全失效的，这时候，定义一种更符合需求的“距离”就是很有必要的（度量学习）

扯了这么多之后，还想多一句嘴：深度学习只是机器学习中的一员，机器学习本身有太多内涵，主页菌本人水平有限并没有深入研究过什么，但是作为入坑之人，还是要时刻保持冷静，不要“非深度学习不用”，否则会错过很多风景哒！

How to visualize embedding?

利用Tensorboard很容易将embedding进行可视化，不过既然是可视化，最高只能“可视”三维空间，所以高维向量需要被投影到三维（或二维空间）。不过不用担心细节，Tensorboard做了足够高质量的封装。

这次的代码基于教程5，只需要增加10行左右的代码就可以将embedding可视化添加进Tensorboard中。

• overview

为了代码思路足够简单，我们不去计算任何embedding vector，而是用图片数据本身作为embedding（将图片展开成向量）。实际应用中将这部分数据替换成你自己的embedding就可以啦。

可视化embedding有两个要素：

（1）被可视化的数据本身，也就是可视化空间中的每一个数据点

（2）metadata，也就给每一个数据点赋予的“标签”。metadata需要单独存放在tsv文件中。

在正式代码开始之前，需要导入一个额外的模块：

• step 1：准备数据

首先是被可视化的数据本身，在这里就是MNIST的测试图像。注意embedding可视化的数据需要是tf.Variable类型。

其次是将metadata存储在单独的tsv文件中。这里我们就使用MNIST测试集的label，将他们存储在tsv中。tsv文件中每一行代表一个数据的metadata。

存储完的tsv文件是这样的：

• step 2：构造embedding

有了数据对象和metadata之后，我们需要告诉程序这么三件事

（1）我需要构建一个embedding用来可视化

（2）embedding中的数据是什么

（3）embedding中的metadata是什么

高亮部分的三行代码就是分别做了上面说的那三件事。

• step 3：写入Tensorboard

将可视化对象写入Tensorboard用到了tf.summary（请回顾教程5）

我们使用了两组summary，因为在训练集和测试集上的结果要分开。在将embedding加入Tensorboard的时候我们需要告诉程序要加入到哪一个summary中去。

注意高亮部分指定了加入哪个summary。

至此，大功告成！

Enjoy！

来载入Tensorboard看效果吧

进入“PROJECTOR”这个标签

在左侧选择“test”，因为我们的embedding加入的是这个summary

这时候你看到的是这样的：

然后使用metadata给数据点标记不同的颜色。在左侧选择“color map”，也就是我们存储的metadata：

现在你看到的效果变成了这样：

在左下角有这么一个面板：

这个面板是用来选择数据降维算法的。Tensorboard提供了PCA和t-SNE两种。PCA就是我们熟悉的主成分分析，是默认选择的降维算法，上面的效果图都是PCA降维得到的。值得一提的是t-SNE，这是Hinton老爷子提出来的算法，做高维数据降维可可视化简直不要太惊艳！不过缺点是有很多需要调节的参数。

使用如下参数配置：

迭代稳定之后获得了这样的效果：

各个类别的数据点基本上各自聚拢到了一起！

注：

t-SNE是带有随机性的算法，每次运行结果可能不完全一样

关于t-SNE参数调节的一些经验性的总结请看这篇博文：

How to Use t-SNE Effectively​ distill.pub