加载预训练模型

为了高效地使用训练好的机器学习 (machine learning)模型，加载它们的能力是必不可少的。这个过程允许用户检索模型的权重 (weight)或其完整状态，使其可用于各种应用。常见的流程包括使用模型进行预测（推理 (inference)）、在新数据集上微调 (fine-tuning)模型，或者恢复中断的训练过程。TensorFlow 和 Keras 提供了简单易用的函数来处理这些情况。

将权重 (weight)加载到现有模型架构中

通常，您可能拥有定义模型架构的 Python 代码，但需要将之前训练好的权重加载到其中。当您使用 model.save_weights() 或配置为仅保存权重的 ModelCheckpoint 回调（例如 save_weights_only=True）时，这种情况很常见。

主要方法是 tf.keras.Model.load_weights()。它将保存的权重文件的路径作为主要参数 (parameter)。

重要提示： 要使 load_weights() 成功，您的代码中定义的模型架构必须与保存权重时所用模型的架构完全一致。这包括层数、层类型、层顺序以及每个层的配置（如单元数、激活函数 (activation function)等）。如果架构不匹配，TensorFlow 通常会引发错误，因为它不知道如何将保存的权重张量映射到当前模型中的层。

假设您定义了一个简单的 Sequential 模型，并且权重已保存到名为 'my_model_weights.weights.h5' 的文件中。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers

# 1. 定义*完全相同*的模型架构
def build_simple_model():
  model = keras.Sequential([
      layers.Dense(64, activation='relu', input_shape=(784,)),
      layers.Dropout(0.2),
      layers.Dense(10, activation='softmax')
  ])
  # 注意：通常在加载权重*后*编译模型
  # 如果您只进行推理。如果恢复训练，则在加载前编译。
  return model

# 创建模型实例
model = build_simple_model()

# 打印摘要以查看架构（可选）
# model.summary()

# 保存的权重文件路径
weights_filepath = 'my_model_weights.weights.h5'

# 2. 加载权重
try:
  model.load_weights(weights_filepath)
  print(f"成功从 {weights_filepath} 加载了权重")

  # 现在模型实例已包含训练好的参数
  # 您可以继续进行评估或预测
  # model.compile(...) # 如果评估/训练需要，则编译
  # loss, acc = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
  # print(f"恢复的模型准确率: {acc:.2f}")

except Exception as e:
  print(f"加载权重出错: {e}")
  print("确保模型架构与保存的权重匹配。")

这种方法很灵活，因为它将模型定义（代码）与学习到的参数（权重文件）分开。

加载整个模型（架构、权重 (weight)和优化器状态）

如果您使用 model.save(filepath) 保存了整个模型，您不仅保存了权重，还保存了模型的架构以及可能的优化器状态。这通常以 TensorFlow 的 SavedModel 格式（一个目录）或单个 HDF5 文件（.h5 或 .keras）存储。

要加载这样一个完整的模型，您可以使用顶层函数 tf.keras.models.load_model()。

import tensorflow as tf

# 保存的模型目录或文件路径
saved_model_path = 'my_full_model_savedmodel' # 或者 'my_full_model.h5' / 'my_full_model.keras'

try:
  # 加载整个模型
  loaded_model = tf.keras.models.load_model(saved_model_path)
  print(f"成功从 {saved_model_path} 加载了模型")

  # loaded_model 对象是一个已编译的 Keras 模型，可以直接使用。
  loaded_model.summary()

  # 您可以立即将其用于评估或预测
  # loss, acc = loaded_model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
  # print(f"加载模型的准确率: {acc:.2f}")

  # 或者如果优化器状态已保存，甚至可以继续训练
  # history = loaded_model.fit(x_train, y_train, epochs=5, ...)

except Exception as e:
  print(f"加载模型出错: {e}")

这里的一个显著好处是您不需要定义模型架构的原始 Python 代码。load_model 根据保存的文件或目录中存储的信息重建模型。如果保存了训练配置（优化器、损失、指标），它还会一并恢复，使得恢复训练或使用模型创建者设定的精确设置变得方便。

处理自定义对象： 如果您的已保存模型包含不属于标准 TensorFlow/Keras 库的自定义层、自定义损失函数 (loss function)或自定义激活函数 (activation function)，load_model 可能会失败，因为它不知道如何解释这些自定义组件。为处理此问题，您可以向 load_model 传递一个 custom_objects 字典，将自定义对象的保存名称映射到其对应的 Python 类或函数。

# 假设您定义了一个自定义层类：MyCustomLayer

# 加载时：
# loaded_model = tf.keras.models.load_model(
#     saved_model_path,
#     custom_objects={'MyCustomLayer': MyCustomLayer}
# )

或者，您可以使用 tf.keras.utils.register_keras_serializable 来全局注册您的自定义对象。

总结：load_weights 对比 load_model

• 当满足以下条件时，使用 model.load_weights(filepath)：
  • 您拥有定义模型架构的 Python 代码。
  • 您只保存了模型的权重 (weight)（参数 (parameter)）。
  • 您想将预训练 (pre-training)权重加载到可能已修改的架构中（例如，用于迁移学习 (transfer learning)，确保加载权重时层名称/结构对齐 (alignment)）。
• 当满足以下条件时，使用 tf.keras.models.load_model(filepath)：
  • 您保存了整个模型（架构、权重、优化器状态）。
  • 您需要一个即用型模型，而无需原始定义代码。
  • 您打算部署模型（特别是使用 SavedModel 格式时）。
  • 您想从上次停止的地方精确地恢复训练。

成功加载预训练模型可以帮助您在现有成果上继续，节省大量时间和计算资源。这是有效应用深度学习 (deep learning)的一项基本技能。正如我们将在下一节中简要看到的，TensorFlow Hub 等平台进一步简化了访问和重用由更广泛社区训练的模型的过程。