Keras模型讲解

keras是一个开源是的python深度学习库，可以基于theano或者tenserflow，下面大体介绍下keras的几个重要模块。

重要的模块

1、优化器（optimizers）

优化器是调整每个节点权重的方法，看一个代码示例：

model = Sequential() 
model.add(Dense(64, init='uniform', input_dim=10)) model.add(Activation('tanh')) 
model.add(Activation('softmax')) 
sgd = SGD(lr=0.01, decay=1e-6, momentum=0.9, nesterov=True) model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer=sgd)

可以看到优化器在模型编译前定义，作为编译时的两个参数之一

代码中的sgd是随机梯度下降算法
lr表示学习速率
momentum表示动量项
decay是学习速率的衰减系数(每个epoch衰减一次)
Nesterov的值是False或者True，表示使不使用Nesterov momentum

以上4个参数以后具体学习了再解析

除了sgd，还可以选择的优化器有RMSprop（适合递归神经网络）、Adagrad、Adadelta、Adam、Adamax、Nadam

2、目标函数（objectives）

目标函数又称损失函数（loss），目的是计算神经网络的输出与样本标记的差的一种方法，代码示例：

model = Sequential() 
model.add(Dense(64, init='uniform', input_dim=10)) model.add(Activation('tanh')) 
model.add(Activation('softmax')) 
sgd = SGD(lr=0.01, decay=1e-6, momentum=0.9, nesterov=True) model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer=sgd)

mean_squared_error就是损失函数的名称

可以选择的损失函数有：

mean_squared_error，mean_absolute_error，squared_hinge，hinge，binary_crossentropy，categorical_crossentropy

这里binary_crossentropy 和 categorical_crossentropy也就是logloss

3、激活函数（activations）

每一个神经网络层都需要一个激活函数，代码示例：

from keras.layers.core import Activation, Dense

model.add(Dense(64))
model.add(Activation('tanh'))

或把上面两行合并为：
model.add(Dense(64, activation='tanh'))

可以选择的激活函数有：
linear、sigmoid、hard_sigmoid、tanh、softplus、relu、 softplus，softmax、softsign
还有一些高级激活函数，比如如PReLU，LeakyReLU等

4、参数初始化（Initializations）

这个模块的作用是在添加layer时调用init进行这一层的权重初始化，有两种初始化方法

4.1 通过制定初始化方法的名称：

示例代码：

model.add(Dense(64, init='uniform'))

可以选择的初始化方法有：
uniform、lecun_uniform、normal、orthogonal、zero、glorot_normal、he_normal等

4.2 通过调用对象：

该对象必须包含两个参数:shape(待初始化的变量的shape)和name(该变量的名字),该可调用对象必须返回一个(Keras)变量,例如K.variable()返回的就是这种变量，示例代码：

from keras import backend as K
import numpy as np

def my_init(shape, name=None):
value = np.random.random(shape)
return K.variable(value, name=name)

model.add(Dense(64, init=my_init))

或者

from keras import initializations

def my_init(shape, name=None):
return initializations.normal(shape, scale=0.01, name=name)

model.add(Dense(64, init=my_init))

所以说可以通过库中的方法设定每一层的初始化权重，

也可以自己初始化权重，自己设定的话可以精确到每个节点的权重，

那么是否可以在这儿做文章优化特征呢？我觉得可以针对不同的task深入试验看看

5、层（layer）

keras的层主要包括：

常用层（Core）、卷积层（Convolutional）、池化层（Pooling）、局部连接层、递归层（Recurrent）、嵌入层（ Embedding）、高级激活层、规范层、噪声层、包装层，当然也可以编写自己的层

5.1对于层的操作

layer.get_weights() #返回该层的权重
layer.set_weights(weights)#将权重加载到该层
config = layer.get_config()#保存该层的配置
layer = layer_from_config(config)#加载一个配置到该层
#该层有一个节点时，获得输入张量、输出张量、及各自的形状：
layer.input
layer.output
layer.input_shape
layer.output_shape
#该层有多个节点时（node_index为节点序号）：
layer.get_input_at(node_index)
layer.get_output_at(node_index)
layer.get_input_shape_at(node_index)
layer.get_output_shape_at(node_index)

5.2 Dense层(全连接层）

keras.layers.core.Dense(output_dim, init='glorot_uniform', activation='linear', weights=None, W_regularizer=None, b_regularizer=None, activity_regularizer=None, W_constraint=None, b_constraint=None, bias=True, input_dim=None)

output_dim：输出数据的维度

init：初始化该层权重的方法

activation：该层的激活函数

weights：numpy array的list。该list应含有一个形如（input_dim,output_dim）的权重矩阵和一个形如(output_dim,)的偏置向量

regularizer：正则项，w为权重的、b为偏执的，activity为输出的

constraints：约束项

bias：是否包含偏执向量，是布尔值

input_dim：输入数据的维度

5.3 dropout层

keras.layers.core.Dropout(p)

为输入数据施加Dropout。Dropout将在训练过程中每次更新参数时随机断开一定百分比（p）的输入神经元连接，Dropout层用于防止过拟合。
参考文章：http://blog.csdn.net/stdcoutzyx/article/details/49022443理解dropout

5.4 递归层（Recurrent）

递归层包含三种模型：LSTM、GRU和SimpleRNN

5.4.1抽象层，不能直接使用

keras.layers.recurrent.Recurrent(weights=None, return_sequences=False, go_backwards=False, stateful=False, unroll=False, consume_less='cpu', input_dim=None, input_length=None)

return_sequences：True返回整个序列，false返回输出序列的最后一个输出

go_backwards：True，逆向处理输入序列，默认为False

stateful：布尔值，默认为False，若为True，则一个batch中下标为i的样本的最终状态将会用作下一个batch同样下标的样本的初始状态

5.4.2全连接RNN网络

keras.layers.recurrent.SimpleRNN(output_dim, init='glorot_uniform', inner_init='orthogonal', activation='tanh', W_regularizer=None, U_regularizer=None, b_regularizer=None, dropout_W=0.0, dropout_U=0.0)

inner_init：内部单元的初始化方法

dropout_W：0~1之间的浮点数，控制输入单元到输入门的连接断开比例

dropout_U：0~1之间的浮点数，控制输入单元到递归连接的断开比例

5.4.3 LSTM层

keras.layers.recurrent.LSTM(output_dim, init='glorot_uniform', inner_init='orthogonal', forget_bias_init='one', activation='tanh', inner_activation='hard_sigmoid', W_regularizer=None, U_regularizer=None, b_regularizer=None, dropout_W=0.0, dropout_U=0.0)

forget_bias_init：遗忘门偏置的初始化函数，Jozefowicz et al.建议初始化为全1元素

inner_activation：内部单元激活函数

5.5 Embedding层

keras.layers.embeddings.Embedding(input_dim, output_dim, init='uniform', input_length=None, W_regularizer=None, activity_regularizer=None, W_constraint=None, mask_zero=False, weights=None, dropout=0.0)

只能作为模型第一层

mask_zero：布尔值，确定是否将输入中的‘0’看作是应该被忽略的‘填充’（padding）值，该参数在使用递归层处理变长输入时有用。设置为True的话，模型中后续的层必须都支持masking，否则会抛出异常

5.6 model层（最重要）

model层是最主要的模块，model层可以将上面定义了各种基本组件组合起来

model的方法：

model.summary() ： 打印出模型概况

model.get_config() ：返回包含模型配置信息的Python字典

model.get_weights()：返回模型权重张量的列表，类型为numpy array

model.set_weights()：从numpy array里将权重载入给模型

model.to_json：返回代表模型的JSON字符串，仅包含网络结构，不包含权值。可以从JSON字符串中重构原模型：

from models import model_from_json

json_string = model.to_json()
model = model_from_json(json_string)

model.to_yaml：与model.to_json类似，同样可以从产生的YAML字符串中重构模型

from models import model_from_yaml

yaml_string = model.to_yaml()
model = model_from_yaml(yaml_string)

model.save_weights(filepath)：将模型权重保存到指定路径，文件类型是HDF5（后缀是.h5）

model.load_weights(filepath, by_name=False)：从HDF5文件中加载权重到当前模型中, 默认情况下模型的结构将保持不变。如果想将权重载入不同的模型（有些层相同）中，则设置by_name=True，只有名字匹配的层才会载入权重

keras有两种model，分别是Sequential模型和泛型模型

5.6.1 Sequential模型

Sequential是多个网络层的线性堆叠

可以通过向Sequential模型传递一个layer的list来构造该模型：

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation

model = Sequential([
Dense(32, input_dim=784),
Activation('relu'),
Dense(10),
Activation('softmax'),
])

也可以通过.add()方法一个个的将layer加入模型中：

model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_dim=784))
model.add(Activation('relu'))

还可以通过merge将两个Sequential模型通过某种方式合并

Sequential模型的方法：

compile(self, optimizer, loss, metrics=[], sample_weight_mode=None)

fit(self, x, y, batch_size=32, nb_epoch=10, verbose=1, callbacks=[], validation_split=0.0, validation_data=None, shuffle=True, class_weight=None, sample_weight=None)

evaluate(self, x, y, batch_size=32, verbose=1, sample_weight=None)

#按batch获得输入数据对应的输出，函数的返回值是预测值的numpy array
predict(self, x, batch_size=32, verbose=0)

#按batch产生输入数据的类别预测结果,函数的返回值是类别预测结果的numpy array或numpy
predict_classes(self, x, batch_size=32, verbose=1)

#本函数按batch产生输入数据属于各个类别的概率，函数的返回值是类别概率的numpy array
predict_proba(self, x, batch_size=32, verbose=1)

train_on_batch(self, x, y, class_weight=None, sample_weight=None)

test_on_batch(self, x, y, sample_weight=None)

predict_on_batch(self, x)


fit_generator(self, generator, samples_per_epoch, nb_epoch, verbose=1, callbacks=[], validation_data=None, nb_val_samples=None, class_weight=None, max_q_size=10)

evaluate_generator(self, generator, val_samples, max_q_size=10)

5.6.2 泛型模型

Keras泛型模型接口是：

用户定义多输出模型、非循环有向模型或具有共享层的模型等复杂模型的途径

适用于实现：全连接网络和多输入多输出模型

多输入多输出，官方例子给出：预测一条新闻的点赞转发数，主要输入是新闻本身，还可以加入额外输入，比如新闻发布日期，新闻作者等，具体的实现还是看官网文档吧：
http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/getting_started/functional_API/

所以感觉这个模型可以针对特定task搞一些创新哦

泛型模型model的属性：

model.layers：组成模型图的各个层
model.inputs：模型的输入张量列表
model.outputs：模型的输出张量列表

方法：类似序列模型的方法
补充get_layer

get_layer(self, name=None, index=None)
本函数依据模型中层的下标或名字获得层对象，泛型模型中层的下标依据自底向上，水平遍历的顺序。

name：字符串，层的名字
index： 整数，层的下标
函数的返回值是层对象

测试模型输出张量的shape时的小程序：

from keras.models import Model
from keras.layers import Conv2DTranspose,Input
inp=Input([8,8,1])
con=Conv2DTranspose(2,4,strides=(2, 2),padding='valid')(inp)
model=Model(inputs=inp,outputs=con)
print(model.output_shape)