輕量級深度學習架構 Keras簡介

徐海蛟教學

Keras是基于Theano的一個深度學習架構，它的設計參考了Torch，用Python語言編寫，是一個高度子產品化的神經網絡庫，支援GPU和CPU。使用文檔在這：http://keras.io/，中文文檔在這：http://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/ ，這個架構是2015年流行起來的，使用中遇到的困惑或者問題可以送出到github：https://github.com/fchollet/keras。

Keras主要包括14個子產品包，可參見文檔https://keras.io/layers/ ，下面主要對Models、Layers、Initializations、Activations、Objectives、Optimizers、Preprocessing、metrics八個子產品包展開介紹。

1. Models包：keras.models

這是Keras中最主要的一個子產品，用于對各個元件進行組裝。

詳細說明：http://keras.io/models/

from keras.models import Sequential

model = Sequential()  # 初始化模型

model.add(...)  # 可使用add方法組裝元件

2. Layers包：keras.layers

該子產品主要用于生成神經網絡層，包含多種類型，如Core layers、Convolutional layers、recurrent layers、advanced_activations layers、normalization layers、embeddings layers等。

其中Core layers裡面包含了flatten（CNN的全連接配接層之前需要把二維特征圖flatten成為一維的）、reshape（CNN輸入時将一維的向量弄成二維的）、dense（隐藏層）。

Convolutional layers層包含Theano的Convolution2D的封裝等。

詳細說明：http://keras.io/layers/

from keras.layers import Dense  # Dense表示BP層

model.add(Dense(input_dim=3,output_dim=5))  # 加入隐含層

3. Initializations包：keras.initializations

該子產品主要負責對模型參數（權重）進行初始化，初始化方法包括：uniform、lecun_uniform、normal、orthogonal、zero、glorot_normal、he_normal等。

詳細說明：http://keras.io/initializations/

model.add(Dense(input_dim=3,output_dim=5,init='uniform')) #加入帶初始化（uniform）的隐含層

4. Activations包：keras.activations、keras.layers.advanced_activations（新激活函數）

該子產品主要負責為神經層附加激活函數，如linear、sigmoid、hard_sigmoid、tanh、softplus、softmax、relu以及LeakyReLU、PReLU等比較新的激活函數。

詳細說明：http://keras.io/activations/

model.add(Dense(input_dim=3, output_dim=5, activation='sigmoid'))  # 加入帶激活函數（sigmoid）的隐含層

等價于：

model.add(Dense(input_dim=3, output_dim=5))

model.add(Activation('sigmoid'))

5. Objectives包：keras.objectives

該子產品主要負責為神經網絡附加損失函數，即目标函數。如mean_squared_error，mean_absolute_error ，squared_hinge，hinge，binary_crossentropy，categorical_crossentropy等，其中binary_crossentropy，categorical_crossentropy是指logloss。

注：目标函數的設定是在模型編譯階段。

詳細說明：http://keras.io/objectives/

model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='sgd') #loss是指目标函數

6. Optimizers包：keras.optimizers

該子產品主要負責設定神經網絡的優化方法，如最基本的随機梯度下降SGD,另外還有Adagrad、Adadelta、RMSprop、Adam，一些新的方法以後也會被不斷添加進來。

詳細說明：http://keras.io/optimizers/

keras.optimizers.SGD(lr=0.01, momentum=0.9, decay=0.9, nesterov=False)

上面的代碼是SGD的使用方法，lr表示學習速率,momentum表示動量項，decay是學習速率的衰減系數(每個epoch衰減一次),Nesterov的值是False或者True，表示使不使用Nesterov momentum。

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)  #指優化方法sgd

model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='sgd')

7. Preprocessing包：keras.preprocessing

資料預處理子產品，包括序列資料的處理、文本資料的處理和圖像資料的處理等。對于圖像資料的處理，keras提供了ImageDataGenerator函數,實作資料集擴增，對圖像做一些彈性變換，比如水準翻轉，垂直翻轉，旋轉等。

8. metrics包：keras.metrics

與sklearn中metrics包基本相同，主要包含一些如binary_accuracy、mae、mse等的評價方法。

predict = model.predict_classes(test_x)       #輸出預測結果

keras.metrics.binary_accuracy(test_y, predict)  #計算預測精度