TensorFlow实战之K-Means聚类算法实践

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Google 最近开源了它的第二代人工智能与数值计算库TensorFlow。TensorFlow由Google大脑团队开发，并且能够灵活地运行在多个平台上——包括GPU平台与移动设备中。

TensorFlow的核心就是使用所谓的数据流，可以参考Wikipedia上的有关于 Genetic Programming 的相关知识，譬如：

正如你理解的，整个以树状图的架构来表示整个计算流。每个节点即代表一个操作，TensorFlow称作OPS，即operations的缩写。非叶子节 点还是很好理解的，一些叶子节点可以是特殊的操作类型，譬如返回一个常量值(譬如上述树中的7或者2.2)。其他的一些叶子节点，譬如X或者Y这样的，被当做placeholders，即会在运行中被动态地注入值。如果仔细观察上图中的箭头的指向，可以发现这些箭头指向就表明了不同节点之间输出的依赖关系。因此，Data(在 TensorFlow中被称为Tensors)，会在不同的节点之间逆向流动，这就就是他们被称为TensorFlow的原因。TensorFlow也提 供了其他的基于图像抽象的组件，譬如持久化的数据存储(被称为Variables)，以及在譬如神经网络这样的应用中对于Variables中的参数微调 而进行的优化手段。

TensorFlow提供了非常有好的Python的接口，在看本篇文章之前建议阅读以下：

1. 基础环境的搭建 或者笔者的翻译

2.参阅 这个例子 来对TensorFlow的代码风格有一个模糊的认识。

3.接下来 这个解释 会阐述TensorFlow中的基础的组件。

4.参考 详细的例子 来看看TensorFlow是怎么解决常见的ML问题的。

5.在了解上述的基本知识后，可以阅读 Python docs 这个接口文档来作为开发中的参考。

接下来，我会以用TensorFlow来解决常见的K-Means问题作为例子来阐述如何使用它。

import tensorflow as tf  from random import choice, shuffle  from numpy import array  def TFKMeansCluster(vectors, noofclusters):      """      K-Means Clustering using TensorFlow.      `vertors`应该是一个n*k的二维的NumPy的数组，其中n代表着K维向量的数目      'noofclusters' 代表了待分的集群的数目，是一个整型值      """      noofclusters = int(noofclusters)      assert noofclusters < len(vectors)      #找出每个向量的维度      dim = len(vectors[0])      #辅助随机地从可得的向量中选取中心点      vector_indices = list(range(len(vectors)))      shuffle(vector_indices)      #计算图      #我们创建了一个默认的计算流的图用于整个算法中，这样就保证了当函数被多次调用      #时，默认的图并不会被从上一次调用时留下的未使用的OPS或者Variables挤满      graph = tf.Graph()      with graph.as_default():    #计算的会话    sess = tf.Session()    ##构建基本的计算的元素    ##首先我们需要保证每个中心点都会存在一个Variable矩阵    ##从现有的点集合中抽取出一部分作为默认的中心点    centroids = [tf.Variable((vectors[vector_indices[i]]))           for i in range(noofclusters)]    ##创建一个placeholder用于存放各个中心点可能的分类的情况    centroid_value = tf.placeholder("float64", [dim])    cent_assigns = []    for centroid in centroids:        cent_assigns.append(tf.assign(centroid, centroid_value))    ##对于每个独立向量的分属的类别设置为默认值0    assignments = [tf.Variable(0) for i in range(len(vectors))]    ##这些节点在后续的操作中会被分配到合适的值    assignment_value = tf.placeholder("int32")    cluster_assigns = []    for assignment in assignments:        cluster_assigns.append(tf.assign(assignment,                 assignment_value))    ##下面创建用于计算平均值的操作节点    #输入的placeholder    mean_input = tf.placeholder("float", [None, dim])    #节点/OP接受输入，并且计算0维度的平均值，譬如输入的向量列表    mean_op = tf.reduce_mean(mean_input, 0)    ##用于计算欧几里得距离的节点    v1 = tf.placeholder("float", [dim])    v2 = tf.placeholder("float", [dim])    euclid_dist = tf.sqrt(tf.reduce_sum(tf.pow(tf.sub(        v1, v2), 2)))    ##这个OP会决定应该将向量归属到哪个节点    ##基于向量到中心点的欧几里得距离    #Placeholder for input    centroid_distances = tf.placeholder("float", [noofclusters])    cluster_assignment = tf.argmin(centroid_distances, 0)    ##初始化所有的状态值     ##这会帮助初始化图中定义的所有Variables。Variable-initializer应该定  ##义在所有的Variables被构造之后，这样所有的Variables才会被纳入初始化    init_op = tf.initialize_all_variables()    #初始化所有的变量    sess.run(init_op)    ##集群遍历    #接下来在K-Means聚类迭代中使用最大期望算法。为了简单起见，只让它执行固    #定的次数，而不设置一个终止条件    noofiterations = 100    for iteration_n in range(noofiterations):        ##期望步骤        ##基于上次迭代后算出的中心点的未知        ##the _expected_ centroid assignments.        #首先遍历所有的向量        for vector_n in range(len(vectors)):      vect = vectors[vector_n]      #计算给定向量与分配的中心节点之间的欧几里得距离      distances = [sess.run(euclid_dist, feed_dict={          v1: vect, v2: sess.run(centroid)})             for centroid in centroids]      #下面可以使用集群分配操作，将上述的距离当做输入      assignment = sess.run(cluster_assignment, feed_dict = {          centroid_distances: distances})      #接下来为每个向量分配合适的值      sess.run(cluster_assigns[vector_n], feed_dict={          assignment_value: assignment})        ##最大化的步骤        #基于上述的期望步骤，计算每个新的中心点的距离从而使集群内的平方和最小        for cluster_n in range(noofclusters):      #收集所有分配给该集群的向量      assigned_vects = [vectors[i] for i in range(len(vectors))            if sess.run(assignments[i]) == cluster_n]      #计算新的集群中心点      new_location = sess.run(mean_op, feed_dict={          mean_input: array(assigned_vects)})      #为每个向量分配合适的中心点      sess.run(cent_assigns[cluster_n], feed_dict={          centroid_value: new_location})    #返回中心节点和分组    centroids = sess.run(centroids)    assignments = sess.run(assignments)    return centroids, assignments

需要注意的是，如果

for i in range(100):      x = sess.run(tf.assign(variable1, placeholder))

像上面那样看似无害地在每次执行的时候创建一个新的OP（譬如tf.assign或者tf.zeros这样的），这样会一定的影响性能。作为替代的，你应该为每个任务定义一个特定的OP，然后在循环中调用这个OP。可以使用len(graph.get_operations())这个方法来检测是否有冗余的非必需的OPs。准确来说，sess.run应该是在迭代中唯一会与graph产生交互的方法。在上述代码的138~139行中可以看出，一系列的ops/Variables可以组合在sess.run中使用。