Только что получил подсказку, как это сделать. Я запускаю переменную в сеансе и отправляю результаты в выходной вектор Tensor. Затем я извлекаю значения из соответствующего объекта Tensor, как описано в вопросе.
std::vector<Output> outputs;
auto my_var = Variable (...);
TF_CHECK_OK(session.Run({my_var},&outputs));
print(output[0]);