Keras: 基于 Python 的深度学习库_keras: the python deep learning library

Keras: 基于 Python 的深度学习库（这份学习资料是学习的老师上课的ppt，感谢张老师）

一、Keras关键词

中文官网：https://keras.io/zh/

• 纯Python
• 符号式编程
• Tensorflow或Theano为后端（backend）——站在巨人的肩膀上
• 快速原型
• 轻量级，高度模块化
• 不断完善的预训练模型库

1、Keras由纯Python编写，这意味着它的源代码简单易懂，你可以随时进去看看它都做了什么，怎么做的。并且，当你需要修改源代码的时候，大胆修改就可以了，它会立刻生效。  尽管Python的运行效率要低于C++，但Keras只是Tensorflow和Theano的包装而已，这层包装的运行代价是很小的。

2、“先确定符号以及符号之间的计算关系，然后才放数据进去计算”的办法，就是符号式编程。当声明a和b时，它们里面是空的。当确立z=a+b的计算关系时，a，b和z仍然是空的，只有当真的把数据放入a和b了，程序才开始做计算。

3、Keras事实上是一个基于Theano和Tensorflow上的一个包装，所谓站在巨人的肩膀上也不外如是了。 因为Theano和Tensorflow都是符号主义的东西（下面讲再说这是啥），因此Keras自然也是符号主义的。

4、Keras是一款高度模块化的框架，使用它搭建网络和训练网络将会非常容易，如果你需要深入模型中控制细节，通常使用Keras提供的一些函数就可以了，很少需要深入到Tensorflow或Theano那一层。因此，Keras适合于快速原型生成，如果你经常需要很快的实现一下自己的idea，Keras会是一个不错的选择。

5、另外，Keras的预训练模型库也在逐步建设，目前有VGG-16，VGG-19，resnet50，Inceptionv3四种预训练好的模型供大家使用。

• 张量 Tensor

参与符号运算的那些变量统一称作张量。张量是矩阵的进一步推广。

• 规模最小的张量是0阶张量，即标量scalar，也就是一个数。
• 当我们把一些数有序的排列起来，就形成了1阶张量，也就是一个向量vector
• 如果我们继续把一组向量有序的排列起来，就形成了2阶张量，也就是一个矩阵matrix
• 把矩阵摞起来，就是3阶张量，我们可以称为一个立方体，具有3个颜色通道的彩色图片就是一个这样的立方体
• 把矩阵摞起来，就叫4阶张量了，不要去试图想像4阶张量是什么样子，它就是个数学上的概念。

• Keras的计算过程

建立一个从张量到张量的映射函数，再放入真实数据进行计算。

对深度学习而言，这个“映射函数”就是一个神经网络，而神经网络中的每个层自然也都是从张量到张量的映射。

• Keras框架

• backend：后端，对Tensorflow、Theano和CNTK进行封装，完成低层的张量运算、计算图编译等。
• models：模型，模型是层的有序组合，也是层的“容器”，是“神经网络”的整体表示。
• layers：层，神经网络的层本质上规定了一种从输入张量到输出张量的计算规则，显然，整个神经网络的模型也是这样一种张量到张量的计算规则，因此keras的model是layer的子类。
• 设计一个深度神经网络模型，首先定义一个model，其实利用各种layers定义网络结构。

上面的三个模块是Keras最为要紧和核心的三块内容，搭建一个神经网络，就只用上面的内容即可。注意的是，backend虽然很重要，但其内容多而杂，大部分内容都是被其他keras模块调用，而不是被用户直接使用。所以它不是新手马上就应该学的，初学Keras不妨先将backend放一旁，从model和layers学起。

• models/layers：Keras的核心主题

• 网络就是张量到张量的映射，所以Keras的网络就是一个由多个子计算图构成的大计算图。当这些子计算图是顺序连接时，称为顺序模型Sequential，否则就是一般的model，称为泛型模型。
• 模型不但是张量的计算方式，还是层对象的容器，模型用来将它所含有的层整合起来。

• layers：构筑模型的基石

卷积层、递归神经网络层、全连接层、激活层……等等

• Advanced Activation：高级激活层，主要收录了包括leakyReLU，pReLU，ELU，SReLU等一系列高级激活函数，这些激活函数不是简单的element-wise计算，所以单独拿出来实现一下
• Merge层：这个层用于将多个层对象的输出组合起来，支持级联、乘法、余弦等多种计算方式，它还有个小兄弟叫merge，这个函数完成与Merge相同的作用，但输入的对象是张量而不是层对象。
• Lambda层：这是一个神奇的层，看名字就知道它用来把一个函数作用在输入张量上。这个层可以大大减少你的工作量，当你需要定义的新层的计算不是那么复杂的时候，可以通过lambda层来实现，而不用自己完全重写。
• Highway/Maxout/AtrousConvolution2D层：这个就不多说了，懂的人自然懂，keras还是在一直跟着潮流走的
• Wrapper层：Wrapper层用于将一个普通的层对象进行包装升级，赋予其更多功能。目前，Wrapper层里有一个TimeDistributed层，用于将普通的层包装为对时间序列输入处理的层，而Bidirectional可以将输入的递归神经网络层包装为双向的（如把LSTM做成BLSTM）
• Input：补一个特殊的层，Input，这个东西实际上是一个Keras tensor的占位符，主要用于在搭建Model模型时作为输入tensor使用，这个Input可以通过keras.layers来import。
• stateful与unroll：Keras的递归神经网络层，如SimpleRNN，LSTM等，支持两种特殊的操作。一种是stateful，设置stateful为True意味着训练时每个batch的状态都会被重用于初始化下一个batch的初始状态。另一种是unroll，unroll可以将递归神经网络展开，以空间换取运行时间。

• model training

• 两套训练和测试的函数：
• 一套是fit，evaluate等，适用于普通情况
• 另一套是fit_generator，evaluate_generator适用于数据是以迭代器动态生成的情况。迭代器可以在内存/显存不足，实时动态数据提升进行网络训练。
• 最核心的函数有两个：
• compile()：编译，模型在训练前必须编译，这个函数用于完成添加正则项，确定目标函数，确定优化器等等一系列模型配置功能。这个函数必须指定的参数是优化器和目标函数，还需要指定一个metrics来进行模型评估。
• fit()/fit_generator()：用来训练模型，参数较多，是需要重点掌握的函数。

• 编写自己的layer

• 计算比较简单，那可以尝试通过Lambda层来解决
• 从Layer（或其他层）继承的类，除了__init__以外还需要重写三个函数：
  • build，这个函数用来确立这个层都有哪些参数，哪些参数是可训练的哪些参数是不可训练的。
  • call，这个函数在调用层对象时自动使用，里面就是该层的计算逻辑，或计算图了。显然，这个层的核心应该是一段符号式的输入张量到输出张量的计算过程。
  • get_output_shape_for：如果你的层计算后，输入张量和输出张量的shape不一致，那么你需要把这个函数也重新写一下，返回输出张量的shape，以保证Keras可以进行shape的自动推断。

• 网络训练

• objectives：目标函数，规定了神经网络的优化方向。本质上是一个从张量到数值的函数。
  • MSE、交叉熵
• optimizers：优化器，规定了神经网络的参数如何更新。
• activation是激活函数，这部分的内容一般不直接使用，而是通过激活层Activation来调用。
• callback是回调函数，这其实是一个比较重要的模块，回调函数不是一个函数而是一个类，用于在训练过程中收集信息或进行某种动作。

预定义的回调函数中CheckModelpoint，History和EarlyStopping都是比较重要和常用的。其中CheckPoint用于保存模型，History记录了训练和测试的信息，EarlyStopping用于在已经收敛时提前结束训练。回调函数LearningRateScheduler支持按照用户的策略调整学习率。值得注意的是，History是模型训练函数fit的返回值，也就是说即使你没有使用任何回调函数，找一个变量接住model.fit()，还是能得到不少训练过程中的有用信息。

• Keras提供了一组模块用来对神经网络进行配置

• initialization：初始化策略，规定了网络参数的初始化方法
• regularizers：正则项，提供了一些用于参数正则的方法，以对抗过拟合
• constraints：约束项，提供了对网络参数进行约束的方法

十一、调试分析和使用网络，处理数据的模块

• callbacks：回调函数，在网络训练的过程中返回一些预定义/自定义的信息
• visualization：可视化，用于将网络结构绘制出来，以直观观察
• preprocessing：提供了一组用于对文本、图像、序列信号进行预处理的函数
• utils：常用函数库
  • utils.np_utils中的to_categorical，用于将1D标签转为one-hot的2D标签
  • convert_kernel函数，用于将卷积核在theano模式和Tensorflow模式之间转换。

十二、常用数据集的模块

• datasets：提供了一些常用数据库的接口，用户将通过这些接口下载和载入数据集

十三、与scikit-learn联动机制

• wrappers.scikit-learn
• 两个类：KerasClassifier和KerasRegressor，搭建好Sequential模型（只能是Sequential）将被它们包装为sklearn的分类器和迭代器加入的sklearn的工作流中。

十四、构建一个深度模型的四大要素：

• • 网络拓扑结构
    • 层，激活函数
  • 成本（损失）函数
  • 梯度下降
    • 方法，mini-batch
  • 网络性能度量

十五、举例：

from keras.models import Sequential  # Sequential 模型
 
from keras.layers import Dense, Activation
 
from keras.optimizers import SGD
 
 
 
model = Sequential()  
 
# 简单用.add()堆积模型
 
model.add(Dense(output_dim=64, input_dim=100))
 
model.add(Activation("relu"))
 
model.add(Dense(output_dim=10))
 
model.add(Activation("softmax"))
 
 
 
# 完成模型构建后使用.compile配置学习过程
 
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])
 
# 批量在训练数据上迭代
 
model.fit(X_train, Y_train, nb_epoch=5, batch_size=32)
 
# 评估模型
 
loss = model.evaluate(X_test, Y_test, batch_size=32)
 
# 或者对新数据进行预测
 
Classes = model.predict(x_test,batch_size_size=128)

应用：案例一：线性回归 案例二：手写数字识别

十六、目前流行的梯度下降方法

1. Momentum法
2. Nesterov加速梯度法
3. Adagrad法
4. Adadelta法
5. RMSprop法
6. 适应性动量估计法（Adam）

在罚函数的等高线图中，优化器的位置随时间的变化情况。注意到，Adagrad、 Adadelta 及 RMSprop 法几乎立刻就找到了正确前进方向并以相似的速度很快收敛。而动量法和 NAG 法，则找错了方向，如图所示，让小球沿着梯度下降的方向前进。但 NAG 法能够很快改正它的方向向最小指出前进，因为他能够往前看并对前面的情况做出响应。

展现了各算法在鞍点附近的表现。如上面所说，这对对于 SGD 法、动量法及 NAG 法制造了一个难题。他们很难打破」对称性「带来的壁垒，尽管最后两者设法逃脱了鞍点。而 Adagrad 法、RMSprop 法及 Adadelta 法都能快速的沿着负斜率的方向前进。